100
1. UVOD Hidrotehničke građevine su složeni inženjerski zahvati koji se provode s ciljem zaštite od štetnog djelovanja voda, uređenje vodotoka i korištenje voda. A. korištenje voda – zahvaćanje, crpljenje i uporaba površinskih i podzemnih voda za različite namjene, vodoopskrbu, energetske svrhe, navodnjavanje za uzgoj riba, plovidbu, sport, rekreaciju. B. zaštite od štetnog djelovanja voda – mjere za obranu od poplava, zaštitu od leda, erozija i bujica, melioracijska odvodnja, regulacije vodotoka. C. zaštite voda kao prirodnog resursa – mjere zaštite voda od onečišćenja u cilju zaštite života i zdravlja ljudi i zaštite okoliša (odvodnja otpadnih voda, uređaji za pročišćavanje, revitalizacija vodotoka) PODJELA HIDROTEHNIČKIH GRAĐEVINA Prema različitim kriterijima: riječne, jezerske i morske usporne (pragovi, pregrade i brane) regulacijske (valobrani, ledorezi) transportne (kanali, tuneli, cjevovodi) 2. GEOLOŠKA I HIDROGEOLOŠKA ISTRAŽIVANJA O njima ovisi stabilnost, sigurnost i trajnost. Hidrotehničke građevine mogu izazvati poremećaj geološke i hidrogeološke ravnoteže koja je postojala prije izgradnje zahvata. u aluvijalnom tlu – jednostavniji problem 1

Hidrotehničke građevine - skripta

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Gfos

Citation preview

1 UVOD

Hidrotehničke građevine su složeni inženjerski zahvati koji se provode s ciljem zaštite od štetnog djelovanja voda uređenje vodotoka i korištenje voda

A korištenje voda ndash zahvaćanje crpljenje i uporaba površinskih i podzemnih voda za različite namjene vodoopskrbu energetske svrhe navodnjavanje za uzgoj riba plovidbu sport rekreaciju

B zaštite od štetnog djelovanja voda ndash mjere za obranu od poplava zaštitu od leda erozija i bujica melioracijska odvodnja regulacije vodotoka

C zaštite voda kao prirodnog resursa ndash mjere zaštite voda od onečišćenja u cilju zaštite života i zdravlja ljudi i zaštite okoliša (odvodnja otpadnih voda uređaji za pročišćavanje revitalizacija vodotoka)

PODJELA HIDROTEHNIČKIH GRAĐEVINA

Prema različitim kriterijima

riječne jezerske i morske usporne (pragovi pregrade i brane) regulacijske (valobrani ledorezi) transportne (kanali tuneli cjevovodi)

2 GEOLOŠKA I HIDROGEOLOŠKA ISTRAŽIVANJA

O njima ovisi stabilnost sigurnost i trajnost Hidrotehničke građevine mogu izazvati poremećaj geološke i hidrogeološke ravnoteže koja je postojala prije izgradnje zahvata

u aluvijalnom tlu ndash jednostavniji problem u stijenskom masivu dominantan utjecaj imaju strukturni diskontinuiteti koji utječu

na fizičko-mehanička svojstva stijena s dominantnim utjecajem pukotina koje su uglavnom otvorene na dubinama na kojima se vrši temeljenje

posebnost krških terena gdje postoje podzemni kanali prema zonama istjecanja geološku strukturu stijenskih masa treba smatrati kao najpostojaniju karakteristiku

stijenskog masiva a o kojoj ovise karakteristike hidrotehničkih građevina nužno je poznavanje prostornih geometrijskih karakteristika slojeva i pukotina

1

Utjecaj karakteristika slojevitosti na iskop temelja ndash najpovoljniji

3 karakteristična položaja tunela

1 Može se očekivati odvajanje u tjemenu tunela ndash sidrenje u tjemenu2 Odvajanje u bokovima tunela

- u oba slučaja geotehnički uvjeti su const po osi tunela ali se javljaju teškoće kod miniranja

3 Geotehnički uvjeti su promjenjivi duž osi ali su uvjeti stabilnosti povoljniji

Na hidrotehničkim građevinama primjenjuje se oko 120 istražnih postupaka Postoje 3 skupine istraživanja

a) Daljinske detekcijeb) Geofizička istraživanjac) Statička ispitivanja deformacijskih karakteristika otpornosti bdquoin situldquo

21 DALJINSKE DETEKCIJE

1 Aerosnimke (na visinama do 24 km sa slikama 25 km x 25 km)2 Satelitske slike (preko 24 km)

Multispektralna daljinska detekcija ndash svaki predmet na zemlji ima određeni intenzitet zračenja u spektralnoj skali i različito upija odražava i prelama svjetlost

Elektromagnetska radijacija ndash svaka slika ima 250 tonova Svaki ton predstavlja određenu geološku formaciju ili neku drugu karakteristiku zemljine kore

Infracrvena termografija ndash zasniva se na činjenici da tijela različite temperature različito zrače (osjetljivost od 02)

2

Primjenjivost litologija strukture rasjedi i pukotine poroznost vrulje ponorske zone u rijekama i akumulacijama izvorske zone u rijekama i akumulacijama detektiranje trase podzemnog toka pronos onečišćenja

22 GEOFIZIČKA ISTRAŽIVANJA

Inženjerska geofizika ndash područje geoloških znanosti koje proučava karakteristike zemljine kore i to njenih gornjih horizonata

ISTRAŽNE BUŠOTINE

KAROTAŽ BUŠOTINA

3

Mjerenje ispod površine terena kojim se mogu odrediti

dubina i rasprostiranje vodonosnog sloja njegov kontinuitet poroznost vodopropusnost stupanj zasićenosti struktura

kemijske karakteristike vode dimenzije prirodnih otvora

Postupci - električna otpornost stijena- vlastiti električni potencijal- prirodni intenzitet gama zračenja- inducirana radioaktivnost- temperaturni gradijent

23 STATIČKA ISTRAŽIVANJA

1 Hidraulički tlačni jastuk ndash jeftina može se ostvariti tlak do 100 baraNedostatak točkasto istraživanje odabir mjernih mjesta presudanProgram ispitivanja veći broj kratkotrajnih ili manji broj dugotrajnih opterećenja

Postupak u stijeni se iskopa prorez u koji se postavi limeni jastuk promjera 2 m i međuprostor između jastuka i stijene ispuni betonom Orijentacija proreza ovisi o tome u kojem smjeru u odnosu na slojeve ili pukotine želimo ostvariti opterećenje

Ručnom pumpom se voda tlači u limeni jastuk i preko betonske ispune prenosi na stijenu Mjerenje deformacija vrši se defometrima koji se postave na obod

Radi se proračun modula elastičnosti (E) i modula deformacija (D)

4

ε p1geε p2geε p3

ε e1leεe2leεe 3

31 sat ndash opterećenje u 8 ciklusa nakon iskopa temelja i prije konsolidacijskog injektiranja stijenske mase Pri svakom opterećivanju zaostao je dio plastične deformacije

Plastična deformacija u 1 fazi koja odgovara izgradnji brane i punjenju do određene razine ispod normalne kote trajne deformacije u 80 slučajeva događaju se u 1 fazi

2 faza ndash faza eksploatacije (potpuno u elastičnom području)

3 faza ndash eventualno preopterećenje (20 trajnih deformacija)

5

2 Vodna komora ndash najstarija metoda istraživanja deformabilnosti stijenskih masa (i za okna pod tlakom) i vodopropusnosti

tuneli kružnog poprečnog presjeka promjera 2 ndash 3 m i dužine do 5 m u stijeni bez oblaganja ili s betonskom oblogom tlakovi do 10 bara

3 Radijalna presa tlak se prenosi preko čelične ploče ili malog tlačnog jastuka za stvaranje tlaka koristi se hidraulička uljna presa deformacije se mjere u zadanom pravcu koji se može mijenjati

6

3 HIDROLOŠKE PODLOGE

zaštita od poplava odnosno pojave velikih voda nakon što ona izađe iz korita očituje se naglim povećanjem protoka ili vodostaja nastalo jakim kišama topljenjem

snijega ili pojavom incidenta ndash rušenje brane ili nasipa odron zemlje zadržavanje velikih voda u AKUMULACIJAMA i RETENCIJAMA

AKUMULACIJE ndash prostori za zadržavanje vode iz kojih se voda ispušta kontrolirano a moguće ju je koristiti za razne svrhe

RETENCIJE ndash prostori za zadržavanje iz kojih se voda ispušta nekontrolirano

PITANJE ODREĐIVANJA VELIKIH VODA

1 usvajanjem najveće zabilježene velike vode ili više njih2 određivanjem velikih voda različitog reda pojave metodama matematičke statistike

na osnovi niza opažanih velikih voda ndash niz mora biti dovoljno dug i pouzdan3 određivanje velikih voda iz oborina na osnovi meteoroloških i hidroloških opažanja

(metode transformacije oborina u otjecanje ndash metoda jediničnog hidrograma i izokrona)

4 upotreba različitih empirijskih izraza

PITANJE MJERODAVNIH VELIKIH VODA

povratno razdoblje analiza rizika odnos veličine šteta i skupoće sustava T = 1000 godina ili više

HIDROLOŠKE I METEOROLOŠKE PODLOGE

1 Opće geografske i hidrografske karakteristike sliva vegetacije oborina temperature zraka vjetar

2 Niz srednjih mjesečnih (tjednih ili dnevnih) protoka za razdoblje 20 ndash 40 godina3 Hidrogrami poplavnih valova različite vjerojatnosti pojave (20 5 2 01

001 maks zabilježena velika voda)

podaci o malim vodama podaci o nanosu (suspendiranom i vučenom) krivulje protoka (učestalosti i trajanja)

7

4 TEMELJENJE HIDROTEHNIČKIH GRAĐEVINA

Najsloženiji i najosjetljiviji problem Nijedna hidrotehnička građevina ne prenosi na temelje sile takvog reda veličine kao velike brane niti prijanja na temelje tako blisko tako da brana i stijena u osloncima čini konstruktivnu cjelinu

Stijena ndash dio zemljine kore podložan fizičkim kemijskim i tektonskim utjecajima

Pogodnost podloge za temeljenje ovisi o tipu brane

OSNOVNE KARAKTERISTIKE TEMELJA

A NOSIVOSTB DEFORMABILNOSTC VODOPROPUSNOSTD STABILNOST

Poseban problem ndash temeljenje u kršu gdje se javlja sufozija rastvaranje (cca 05 mmgod) kolmiranje

A) NOSIVOST

Određuje se

Determinističkim pristupomopterećenje rarr propisi standardi formulerutina rarr nema rizika ako se poštuju propisi

Probabilističkim pristupomzbog neizvjesnosti realnih karakteristika i njihovog stohastičkog karaktera

Deterministički pristup

o Kriterij dopuštenih naprezanja ndash koeficijent sigurnosti kao globalni faktor u odnosu na čvrstoću materijala

σ dop=βkσleσ dop

k ndash koeficijent sigurnostiβ - čvrstoća

8

Probabilistički pristup

o Semiprobabilistička metoda

o Probabilistička metoda- statistički parametri i teorija vjerojatnosti- aritmetička sredina i standardna devijacija- zakon razdiobe (distribucija) koji postoji za svaki statistički skup ndash normalna

distribucija

B) DEFORMABILNOST

Fizičko mehaničke karakteristike(E D β c φ) karakteriziraju stijenski masiv i u funkciji su veličine promatranog prostora i strukturnih formi ndash rasjeda pukotina diskontinuiteta općenito

Presudan je odnos veličine građevine (temelja) i veličine diskontinuiteta

- Različite diskontinuirane sredine

9

gravitacijska betonska brana na ispucaloj stijeni odnos veličine diskontinuiteta i veličine temelja E i D pokazuju svojstva anizotropnosti Deformabilnost temelja ovisi o karakteristikama ispucalosti i slojevitosti

Kriterij ugroženosti betonske brane

Empirijski odnosEbge20 ∙D S Eb ndash modul elastičnosti betona

DS ndash modul deformacije stijene

Deformacijske karakteristike se mogu poboljšati injektiranjem

INJEKTIRANJE ndash postupak ispunjavanja pukotina smjesom na bazi cementao konsolidacijsko injektiranjeo injektiranje za povećanje posmične čvrstoćeo injekcijske zavjese ndash za spriječavanje procjeđivanja vodeo kontaktno ili vezno ndash povezivanje građevine i stijene

Tlak injektiranja p = 2ρgh do 4ρgh ρ ndash gustoća stijenske maseh ndash dubina injektiranja

10

C) VODOPROPUSNOSTa) intergranularnab) pukotinskac) pukotinsko ndash kaverozna (krš)

Tlo se obično predstavlja kao medij s konstantnom vodopropusnošću

Darcyjev zakon ndash brzina strujanja proporcionalna je hidrauličkom gradijentu i koeficijentu hidrauličke provodljivosti

v=k ∙ΔHL

=k ∙ I kminushidraulička provodljivost Iminushidraulički gradijent

k ovisi o - veličini i obliku čestica tla kroz koje protječe voda- porozitetu (n)- o strukturi tla (rasporedu čestica)- o temperaturi vode

11

12

5 SILE

Sile koje djeluju na branu

VANJSKEo Aktivne ndash tlak vode uzgon opterećenje ledom tlo potres valovi stalna i

povremenapokretna opterećenja (kranovi strojevi)

o Pasivne ndash reakcija tla sile trenja sile prionjivosti temeljnog tla i brane

UNUTARNJEo Aktivne ndash vlastita težina brane tlak vode u porama sile uslijed

temperaturnih promjena stezanja betona smrzavanja vode u betonu

o Pasivne ndash uslijed djelovanja naprezanja u brani

13

14

6 BRANE

Brane su hidrotehničke građevine kojima se pregrađuju doline kako bi se voda zadržala radi obrane od poplava (usporavanja vode na željenoj koti) i omogućavanja iskorištenja vode

Podjela prema svrsinamjeni

Akumulacijske (jednonamjenske višenamjenske) Retencijske (privremeno zadržavanje vode) Zahvat vode (vodoopskrba navodnjavanje) Kanaliziranje rijeka (brane u nizu ndash veće dubineplovnost) Zadržavanje nanosa ndash pragovi

Jalovišta (nema u RH) Nasipi (obrana od poplava)

Podjela prema materijalu

BETONSKE BRANEo gravitacijske

o olakšane gravitacijske višelučne

raščlanjene (s kontraforima pločama i sl)

15

o lučne

o pokretne rječne

o prednapergnute

Gravitacijske brane ndash masivne pretežno betonske brane koje se utjecaju vanjskih sila suprostavljaju isključivo svojom težinom

Olakšane gravitacijske brane ndash kontrolne galerije (šupljine) smanjuju vlastitu težinu ali imaju znatno širu osnovicu (gt067 H) čime se osigurava stabilnost

Raščlanjene brane s kontraforima ndash olakšana brana sa širom osnovicom bolje podnosi potres i manji uzgon

Lučne brane ndash brane čiji je horizontalni presjek krivolinijskog oblika (oblik luka) a opterećenje se prenosi na bokove

Višelučne brane ndash više lukova

16

Podjela prema veličini

velike brane H ge15m

5leH le15mako je V ak=3 ∙106m3

male brane ndash sve ostale

Podjela prema načinu prenošenja opterećenja

gravitacijske (a) lučne (b) kontraforne (c) kombinirane

Podjela prema utjecaju na rijeku

dolinska pregrada brana

Podjela prema evakuaciji vode

preljevne ndash preljev na tijelu brane nepreljevne ndash preljev izvan tijela brane

ELEMENTI BRANE

evakuacijski organ (preljev) slapište (bučnica) temeljni ispust

(pražnjenje vode i ispiranje nanosa) zahvat temelj kruna brane drenažni sustav injekcijska zavjesa nanos akumulacijski bazen komandna zgrada objekti za skretanje vodnog toka (za vrijeme građenja)

17

Treba se definirati

o os braneo građevinska visina brane (od temelja do krune)o hidraulička visina (razlika kote maksimalnog uspora i kote dna rijeke prije

izgradnje)o dužinu brane u kruni

Faktori koji utječu na izbor tipa brane

IZBOR (I)

NASUTE BRANEo Prednosti

minimalni zahtjevi kod temeljenja i prilagodljivosti skoro svim vrstama terena

mogućnost korištenja raznovrsnog i heterogenog materijala za nasip jeftino i brzo ugrađivanje

o Mane osjetljivost na prelijevanje osjetljivost na procjeđivanje i ispiranje materijala (unutrašnja erozija) za evakuaciju velikih voda potrebni su posebni betonski objekti izvan

brane veliki obim radova (zbog blagih kosina)

18

IZBOR (II)

BETONSKE BRANEo Prednosti

izdržljivost na prelijevanje i procjeđivanje male količine materijala (strm nagib)

o Mane visoki zahtjevi za temeljenje (visoka nosivost tla niska deformabilnost

ne u potresnoj zoni) visoka jedinična cijena (spor rad i brojna radna snaga) za lučne brane provjerava se odnos visine brane i širine doline

U cilju kontrole stanja brane zbog pravovremenog uočavanja promjena na brani i pravovremene provedbe eventualno potrebne sanacije provodi se tehničko promatranje (monitoring oskultacije) brane

vizualna kontrola (uočavanje svih vidljivih promjena naprimjer pukotina oštećenja) praćenje procjeđivanja i pritiska vode mjerenje horizontalnih i vertikalnih pomaka (slijegavanje brane)

61 NASUTE BRANE

Nasipi ndash građevine koje služe za regulaciju vodotoka i omeđivanje korita rijeka vrlo dugi i relativno niski

Nasute brane ndash relativno kratki i visoki nasipi

Nevezani materijal ndash NASUTE BRANEo Zemljane brane od prirodnih materijala

Homogenog presjeka bez zaptivnog tijela Heterogenog presjeka s nepropusnom glinenom vertikalnom ili kosom

jezgrom ili s jezgrom nekog drugog nepropusnog ili slabo propusnog materijala

o Od kamenog nabačaja s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom od prirodnih materijala s vertikalnom dijafragmom od umjetnih ili pripremljenih materijala s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski ljevani

asfalt geomembrane)

19

Vezani materijal ndash BETONSKE BRANE

o AB (rijetko)o od drugih materijala (u prošlosti) drvo metal zidanje

KRITERIJI KOJI MORAJU BITI ZADOVOLJENI

moraju izdržati hidrostatski tlak količina procjedne vode mora biti u prihvatljivim granicama procjeđivanje ne smije izazivati eroziju u brani ili temelju

IZBOR RJEŠENJA OVISI O

1 Sastavu i osobinama temeljnog tla čvrsto i otporno tlo rarr strmiji pokosi primjena materijala velike otpornosti na

smicanje (lomljeni kamen ili krupnozrnati šljunak) tlo veće stlačivosti i male otpornosti na smicanje ndash nagib pokosa mora biti

manji

2 Hidrogeološkim karakteristikama ndash ako su površinske naslage od jače propusnog materijala moguća su rješenja

zamjena propusnog materijala slabije propusnim sprječavanje procjeđivanja injekcijskom zavjesom ili kontinuiranom

dijafragmom nepropusni zastori vertikalne protufiltracijske konstrukcije nizvodna strana ndash drenažni bunari

20

IZBOR LOKACIJE

morfološke karakteristike profila geološke karakteristike ndash rasjedi diskontinuiteti mogućnost evakuacije velikih voda V ndash H odnos Odnos volumena brane i troškova građenja Uvjeti postavljanja hidrotehničkih građevina

Karakteristike

o velika vlastita težina koja se raspodjeljuje na veliku površinu pa se može raditi i na nepovoljnijem terenu (veće stišljivosti i male čvrstoće na smicanje)

o građevina mora biti tehnički sigurna i funkcionalna uz minimalne troškoveo prema materijalu homogene zonirane i nasute s uzvodnim nepropusnim

materijalom

O čemu ovisi odabir tipa brane

Ovisi o tome kakav materijal imamo na raspolaganju i kakve su karakteristike temeljnog tla

1 HOMOGENE ndash primjena samo jednog materijala dovoljno male propusnosti (glinoviti materijali pjeskovito prašinasti glinoviti šljunak) Homogenost nije apsolutna ndash anizotropija se javlja zbog ugradbe u slojevima Ne može se osigurati trajna stabilnost i mora imati drenove Blagi pokosi (nizvodni i uzvodni) jer slabo propusni materijali imaju manju čvrstoću na smicanje

21

DRENOVI

plošni ndash ispod nizvodnog dijela vertikalni ndash u sredini tijela brane spojen s nizvodnom stopom

usklađenost granulometrijskog sastava brane i drenova

Vertikalni dren

2 ZONIRANE ndash od materijala različitih svojstava koji se raspoređuju unutar presjeka tako da se njihove karakteristike optimalno iskoriste (stabilnost i ekonomičnost)

o materijali male propusnosti ndash mala otpornost na smicanjeo materijali veće propusnosti ndash veća otpornost na smicanje

22

Zonirane ndash više materijala koji imaju različite funkcije

o Jezgra ndash osigurava vodonepropusnost ima mali koeficijent provodljivosti i malu otpornost na smicanje ndash glinoviti i prašinasti materijali

o Potporne zone ndash osiguravaju jezgru i podupiru je i s uzvodne strane ndash veća propusnost veća otpornost na smicanje obično manje stlačivosti (zemlja kamen)

Položaj jezgre

- na uzvodnoj strani- u sredini uzvodnog klina- u sredini poprečnog presjeka

BRANE OD KAMENOG NABAČAJA

s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom (glina pjeskovita ilovača prašina) ili dijafragmom (geomembrane)

s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski lijevani asflat geomembrane)

23

Problemi

osjetljivost na uvjete ugradnjeo slabo propusni koherentni materijali mogu se ugrađivati u relativno uskim

granicama oko optimalne vlažnostiglinoviti materijali plusmn 5 oko srednje vrijednostiprašinasti materijali optimalna vlaga

na spoju različitih materijala mijenja se gradijent tlaka i procjedne vode što može izazvati ispiranje čestica sitnijih frakcija (erozija i degradacija jezgre)

- potrebna ugradnja FILTARSKIH SLOJEVA

Jezgra leži na betonskoj galeriji da bi se spriječila postupna erozija jezgre vodom koja bi se mogla zadržavati u temeljnoj stijeni

24

3 NASUTE BRANE S UZVODNIM NEPROPUSNIM MATERIJALOM

Kada u blizini nema materijala za jezgru odgovarajuće nepropusnosti ili su klimatski uvjeti nepovoljni za građenje Nepropusni ekran ndash AB asfalt-beton čelični lim

osjetljivost na termičke promjene osjetljivost zbog različitog ponašanja nasutog materijala i materijala obloge osjetljivost zbog kombinacije prirodnog i umjetnog materijala

MATERIJALI ZA NASIPAVANJE ndash moraju zadovoljiti kontradiktorne zahtjeve

velika otpornost na smicanje relativno mala stišljivost mala propusnost mala osjetljivost na promjene vlažnosti

Prema svojstvima

koherentni materijali (glina niske do visoke plastičnosti s lt 10 pijeska male vodopropusnosti i srednje do velike stišljivosti)

nekoherentni materijali (sitnozrnati s lt 50 pijeska male stišljivosti) krupnozrnati materijali ( gt 50 šljunka mala stišljivost srednja čvrstoća na smicanje)

Prema mogućnostima ugradnje

neosjetljivi na održavanje vlažnosti (glinoviti materijali male do srednje vlažnosti) malo osjetljivi na vlažnost pri ugradnji (šljunak pijesak s malo praha) osjetljivi na vlažnost (prašinasti pijesak prah glinoviti prah) ndash mogućnost ugradbe u

uskom rasponu vlažnosti u odnosu na optimalnu

Prema namjeni

za otješnjenje i onemogućavanje procjeđivanja akumulirane vode za potporne zone ndash gotovo svi drenirajući i filtarski slojevi za zaštitnu oblogu uzvodnog i nizvodnog pokosa ndash otporni na eroziju balastni materijali ndash osiguranje od klizanja

25

Treba osigurati

vodonepropusnost tijela brane vodonepropusnost temeljnog tla

Treba osigurati hidrauličku stabilnost brane

zaštitu od unutrašnje erozije zaštitu od regresivne erozije

UNUTRAŠNJA EROZIJA

unutrašnja erozija je ispiranje čestica sitnijeg materijala kroz šupljine većih čestica bolja zbijenost materijala manja mogućnost ispiranja čestica do unutrašnje erozije dolazi na kontaktu različitih materijala Za spriječavanje

unutrašnje erozije izvode se zaštitni filtarski slojevi Moguće je izvesti jedan ili više filtarskih slojeva

svrha filtarskih slojeva je da spriječe unutrašnju eroziju brane i pronošenje sitnih čestica u smjeru toka vode uključujući i slobodne površine na kojima voda izvire

Filtarski slojevi trebaju ispunjavati slijedeće uvjeteo propusnost filtra treba biti znatno veća od propusnosti materijala iz kojeg

voda dotječeo granulacija filtarskih slojeva mora biti takva da spriječi dalje prenošenje sitnih

čestica kroz filtaro granulacija materijala filtra ne smije dozvoliti unutrašnju eroziju filtra

FILTARSKO PRAVILO (definirano normom HRN)

(F ndash filtarski materijal O ndash bazni materijal tlo jezgra prethodni filtarski sloj)

a) D15F D 15

O gt5 - onemogućava se začepljenje filtra

b) D15F D 85

O le5 - onemogućava se ispiranje

c) D85O otvor ge2 - promjer zrna 2 puta veći od otvora na drenažnoj cijevi

d) Što ujednačeniji granulometrijski sastav ndash da bi se ostvarila željena vodopropusnost i izbjegla segregacija pri čuvanju transportu i ugrađivanju)

26

REGRESIVNA EROZIJA ndash tunnelling efekt

Regresivna erozija nastaje na plohi na kojoj se pojavljuje tečenje vode (vrelna ploha) i tamo gdje su brzine veće od težina čestica pa se one iznose van

Ako je izlazni gradijent i veći od kritičnog izlaznog gradijenta iKR dolazi do regresivne erozije

i= ΔhΔL

iKR=(1minusn ) ∙ρmaterijalaminusρ v

ρv

igtiKR

n ndash mjera šupljikavosti

Izviranje vode na nizvodnoj kosini može se spriječiti ugradnjom drenažnog sustava Drenovi služe za odvodnju procjedne vode pri malom gradijentu i niskom strujnom

tlaku Zaštita nizvodnog pokosa i stabilnosti nožice ndash primjeri drenažnog sustava

27

ELEMENTI OBLIKOVANJA

1 ŠIRINA KRUNE (B)

Nema značajnijeg utjecaja na stabilnost Ovisi o mogućnosti kretanja strojeva uvjetima sigurnosti u potresnim zonama javna

prometnica

B=1+A ∙radicHA=11minus165

2 KOTA KRUNE (KK)

K K=kr+hm+hp+hd+hs+S

Kr ndash najviša radna kota

hm ndash debljina preljevnog mlaza pri dolasku velikih voda

hp ndash visina penjanja valova uz branu zbog pojave plime u smjeru potiskivanja vode vjetrom

hd ndash porast razine zbog plime

hs ndash porast razine zbog pojave polaganih oscilacija

S ndash sigurnosni dodatak (03 ndash 15 m)

hp=0005 ∙V 106 ∙ Le047

V ndash brzina vjetra u kms

V = kVo Vo ndash brzina mjerena na kopnu

k = 103 ndash 13 Le ndash efikasna duljina razmaha vjetra

28

hd=V 2 ∙ L63 ∙D

∙10minus4 ∙ cosα

D ndash dubina (m)

α ndash kut mjerodavnog vjetra prema okomici na smjer brane

Nadvišenje krune brane ndash zbog konsolidacijskog slijeganja nakon izgradnje (hg = εH)

ε = 001

hgge001 ∙H

3 OBLIKOVANJE KOSINA

zadovoljavanje uvjeta stabilnosti pokosa na klizanje vodoravne berme koje prekidaju jednoliki nagib

uzvodni pokos ndash nasute brane mora biti zaštićen od djelovanja valova i atmosferilija (posebno leda) pa se oblaže kamenim nabačajem ili ako se koristi asfalt-betonski cement-betonski ili AB ekran tada on ima i zaštitnu funkciju

nizvodni pokos ndash zemljane nasute brane najčešće se zatravnjuje (nanošenje nanosa) Ako je brana kamena ne treba zatravnjivati iako se ponekad zatravnjuje iz estetskih razloga (uklapanje u okoliš npr brana na Lokvarskom jezeru)

29

PROCJEĐIVANJE

Q ndash protok kroz branu (jezgru) + protok kroz temeljno tlo

Osnovno pravilo ndash treba težiti da se tlakovi u jezgri i procjedna linija u nizvodnom potpornom tijelu snize na minimum a procjedne vode treba skupiti na dnu i preko zaštićenog drenažnog sustava izvesti izvan brane

Vodoravni zastor ndash produljenje puta procjeđivanja

Uspravna nepropusna brana ndash prekida vodoravni tok kroz propusne naslage usmjerava prema dolje ili zatvara presjek do nepropusne zone (čelično žmurje dijafragma od betona i AB)

Vododrživost temeljnog tla

djelomična ili potpuna zamjena tla ndash produženje jezgretemeljnog klina

uzvodni glineni zastor

30

dijafragma

injektiranje

NOSIVOST I STABILNOST

Brana preuzima hidrostatičko opterećenje i sa svojom vlastitom težinom prenosi ga na temeljno tlo

Mehanička stabilnost brana podrazumijeva

stabilnost kosina (pronalaženje kliznih ploha) stabilnost temeljnog tla

Stabilnost zemljanih nasipa (Coulomb 1773g) zakon otpora vezanog zemljišta na smicanje da je jednadžbom

τ=C+σ ∙tgφ

tj kohezijom (c = const) i unutarnjim trenjem (φ) a tgφ ovisi od normalnog naprezanja (σ) u ravnini smicanja

F s=τ f

τ= čvrstoćanasmicanje

otpor nasmicanje

Nasute brane su nepreljevne u smislu prelijevanja preko krune brane Koriste se bočni bunarski preljevi i sl Prelijevanje preko nasute brane pogotovo ukoliko je ono dugotrajno rezultira erodiranjem nizvodnog pokosa što može rezultirati rušenjem brane

Da se spriječi prelijevanje potrebno je dobro

odrediti visinu krune brane odrediti mjerodavni vodni val (velike vode) dimenzionirati izvesti i održavati evakuacijske organe

31

Ako je nizvodno područje naseljeno evakuacijski organi se dimenzioniraju na maksimalnu veliku vodu Ako je nizvodno područje nenaseljeno te pri poplavljivanju ne može doći do ugrožavanja ljudskih života evakuacijski organi se dimenzioniraju na 1000 ndash godišnju veliku vodu

32

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

Utjecaj karakteristika slojevitosti na iskop temelja ndash najpovoljniji

3 karakteristična položaja tunela

1 Može se očekivati odvajanje u tjemenu tunela ndash sidrenje u tjemenu2 Odvajanje u bokovima tunela

- u oba slučaja geotehnički uvjeti su const po osi tunela ali se javljaju teškoće kod miniranja

3 Geotehnički uvjeti su promjenjivi duž osi ali su uvjeti stabilnosti povoljniji

Na hidrotehničkim građevinama primjenjuje se oko 120 istražnih postupaka Postoje 3 skupine istraživanja

a) Daljinske detekcijeb) Geofizička istraživanjac) Statička ispitivanja deformacijskih karakteristika otpornosti bdquoin situldquo

21 DALJINSKE DETEKCIJE

1 Aerosnimke (na visinama do 24 km sa slikama 25 km x 25 km)2 Satelitske slike (preko 24 km)

Multispektralna daljinska detekcija ndash svaki predmet na zemlji ima određeni intenzitet zračenja u spektralnoj skali i različito upija odražava i prelama svjetlost

Elektromagnetska radijacija ndash svaka slika ima 250 tonova Svaki ton predstavlja određenu geološku formaciju ili neku drugu karakteristiku zemljine kore

Infracrvena termografija ndash zasniva se na činjenici da tijela različite temperature različito zrače (osjetljivost od 02)

2

Primjenjivost litologija strukture rasjedi i pukotine poroznost vrulje ponorske zone u rijekama i akumulacijama izvorske zone u rijekama i akumulacijama detektiranje trase podzemnog toka pronos onečišćenja

22 GEOFIZIČKA ISTRAŽIVANJA

Inženjerska geofizika ndash područje geoloških znanosti koje proučava karakteristike zemljine kore i to njenih gornjih horizonata

ISTRAŽNE BUŠOTINE

KAROTAŽ BUŠOTINA

3

Mjerenje ispod površine terena kojim se mogu odrediti

dubina i rasprostiranje vodonosnog sloja njegov kontinuitet poroznost vodopropusnost stupanj zasićenosti struktura

kemijske karakteristike vode dimenzije prirodnih otvora

Postupci - električna otpornost stijena- vlastiti električni potencijal- prirodni intenzitet gama zračenja- inducirana radioaktivnost- temperaturni gradijent

23 STATIČKA ISTRAŽIVANJA

1 Hidraulički tlačni jastuk ndash jeftina može se ostvariti tlak do 100 baraNedostatak točkasto istraživanje odabir mjernih mjesta presudanProgram ispitivanja veći broj kratkotrajnih ili manji broj dugotrajnih opterećenja

Postupak u stijeni se iskopa prorez u koji se postavi limeni jastuk promjera 2 m i međuprostor između jastuka i stijene ispuni betonom Orijentacija proreza ovisi o tome u kojem smjeru u odnosu na slojeve ili pukotine želimo ostvariti opterećenje

Ručnom pumpom se voda tlači u limeni jastuk i preko betonske ispune prenosi na stijenu Mjerenje deformacija vrši se defometrima koji se postave na obod

Radi se proračun modula elastičnosti (E) i modula deformacija (D)

4

ε p1geε p2geε p3

ε e1leεe2leεe 3

31 sat ndash opterećenje u 8 ciklusa nakon iskopa temelja i prije konsolidacijskog injektiranja stijenske mase Pri svakom opterećivanju zaostao je dio plastične deformacije

Plastična deformacija u 1 fazi koja odgovara izgradnji brane i punjenju do određene razine ispod normalne kote trajne deformacije u 80 slučajeva događaju se u 1 fazi

2 faza ndash faza eksploatacije (potpuno u elastičnom području)

3 faza ndash eventualno preopterećenje (20 trajnih deformacija)

5

2 Vodna komora ndash najstarija metoda istraživanja deformabilnosti stijenskih masa (i za okna pod tlakom) i vodopropusnosti

tuneli kružnog poprečnog presjeka promjera 2 ndash 3 m i dužine do 5 m u stijeni bez oblaganja ili s betonskom oblogom tlakovi do 10 bara

3 Radijalna presa tlak se prenosi preko čelične ploče ili malog tlačnog jastuka za stvaranje tlaka koristi se hidraulička uljna presa deformacije se mjere u zadanom pravcu koji se može mijenjati

6

3 HIDROLOŠKE PODLOGE

zaštita od poplava odnosno pojave velikih voda nakon što ona izađe iz korita očituje se naglim povećanjem protoka ili vodostaja nastalo jakim kišama topljenjem

snijega ili pojavom incidenta ndash rušenje brane ili nasipa odron zemlje zadržavanje velikih voda u AKUMULACIJAMA i RETENCIJAMA

AKUMULACIJE ndash prostori za zadržavanje vode iz kojih se voda ispušta kontrolirano a moguće ju je koristiti za razne svrhe

RETENCIJE ndash prostori za zadržavanje iz kojih se voda ispušta nekontrolirano

PITANJE ODREĐIVANJA VELIKIH VODA

1 usvajanjem najveće zabilježene velike vode ili više njih2 određivanjem velikih voda različitog reda pojave metodama matematičke statistike

na osnovi niza opažanih velikih voda ndash niz mora biti dovoljno dug i pouzdan3 određivanje velikih voda iz oborina na osnovi meteoroloških i hidroloških opažanja

(metode transformacije oborina u otjecanje ndash metoda jediničnog hidrograma i izokrona)

4 upotreba različitih empirijskih izraza

PITANJE MJERODAVNIH VELIKIH VODA

povratno razdoblje analiza rizika odnos veličine šteta i skupoće sustava T = 1000 godina ili više

HIDROLOŠKE I METEOROLOŠKE PODLOGE

1 Opće geografske i hidrografske karakteristike sliva vegetacije oborina temperature zraka vjetar

2 Niz srednjih mjesečnih (tjednih ili dnevnih) protoka za razdoblje 20 ndash 40 godina3 Hidrogrami poplavnih valova različite vjerojatnosti pojave (20 5 2 01

001 maks zabilježena velika voda)

podaci o malim vodama podaci o nanosu (suspendiranom i vučenom) krivulje protoka (učestalosti i trajanja)

7

4 TEMELJENJE HIDROTEHNIČKIH GRAĐEVINA

Najsloženiji i najosjetljiviji problem Nijedna hidrotehnička građevina ne prenosi na temelje sile takvog reda veličine kao velike brane niti prijanja na temelje tako blisko tako da brana i stijena u osloncima čini konstruktivnu cjelinu

Stijena ndash dio zemljine kore podložan fizičkim kemijskim i tektonskim utjecajima

Pogodnost podloge za temeljenje ovisi o tipu brane

OSNOVNE KARAKTERISTIKE TEMELJA

A NOSIVOSTB DEFORMABILNOSTC VODOPROPUSNOSTD STABILNOST

Poseban problem ndash temeljenje u kršu gdje se javlja sufozija rastvaranje (cca 05 mmgod) kolmiranje

A) NOSIVOST

Određuje se

Determinističkim pristupomopterećenje rarr propisi standardi formulerutina rarr nema rizika ako se poštuju propisi

Probabilističkim pristupomzbog neizvjesnosti realnih karakteristika i njihovog stohastičkog karaktera

Deterministički pristup

o Kriterij dopuštenih naprezanja ndash koeficijent sigurnosti kao globalni faktor u odnosu na čvrstoću materijala

σ dop=βkσleσ dop

k ndash koeficijent sigurnostiβ - čvrstoća

8

Probabilistički pristup

o Semiprobabilistička metoda

o Probabilistička metoda- statistički parametri i teorija vjerojatnosti- aritmetička sredina i standardna devijacija- zakon razdiobe (distribucija) koji postoji za svaki statistički skup ndash normalna

distribucija

B) DEFORMABILNOST

Fizičko mehaničke karakteristike(E D β c φ) karakteriziraju stijenski masiv i u funkciji su veličine promatranog prostora i strukturnih formi ndash rasjeda pukotina diskontinuiteta općenito

Presudan je odnos veličine građevine (temelja) i veličine diskontinuiteta

- Različite diskontinuirane sredine

9

gravitacijska betonska brana na ispucaloj stijeni odnos veličine diskontinuiteta i veličine temelja E i D pokazuju svojstva anizotropnosti Deformabilnost temelja ovisi o karakteristikama ispucalosti i slojevitosti

Kriterij ugroženosti betonske brane

Empirijski odnosEbge20 ∙D S Eb ndash modul elastičnosti betona

DS ndash modul deformacije stijene

Deformacijske karakteristike se mogu poboljšati injektiranjem

INJEKTIRANJE ndash postupak ispunjavanja pukotina smjesom na bazi cementao konsolidacijsko injektiranjeo injektiranje za povećanje posmične čvrstoćeo injekcijske zavjese ndash za spriječavanje procjeđivanja vodeo kontaktno ili vezno ndash povezivanje građevine i stijene

Tlak injektiranja p = 2ρgh do 4ρgh ρ ndash gustoća stijenske maseh ndash dubina injektiranja

10

C) VODOPROPUSNOSTa) intergranularnab) pukotinskac) pukotinsko ndash kaverozna (krš)

Tlo se obično predstavlja kao medij s konstantnom vodopropusnošću

Darcyjev zakon ndash brzina strujanja proporcionalna je hidrauličkom gradijentu i koeficijentu hidrauličke provodljivosti

v=k ∙ΔHL

=k ∙ I kminushidraulička provodljivost Iminushidraulički gradijent

k ovisi o - veličini i obliku čestica tla kroz koje protječe voda- porozitetu (n)- o strukturi tla (rasporedu čestica)- o temperaturi vode

11

12

5 SILE

Sile koje djeluju na branu

VANJSKEo Aktivne ndash tlak vode uzgon opterećenje ledom tlo potres valovi stalna i

povremenapokretna opterećenja (kranovi strojevi)

o Pasivne ndash reakcija tla sile trenja sile prionjivosti temeljnog tla i brane

UNUTARNJEo Aktivne ndash vlastita težina brane tlak vode u porama sile uslijed

temperaturnih promjena stezanja betona smrzavanja vode u betonu

o Pasivne ndash uslijed djelovanja naprezanja u brani

13

14

6 BRANE

Brane su hidrotehničke građevine kojima se pregrađuju doline kako bi se voda zadržala radi obrane od poplava (usporavanja vode na željenoj koti) i omogućavanja iskorištenja vode

Podjela prema svrsinamjeni

Akumulacijske (jednonamjenske višenamjenske) Retencijske (privremeno zadržavanje vode) Zahvat vode (vodoopskrba navodnjavanje) Kanaliziranje rijeka (brane u nizu ndash veće dubineplovnost) Zadržavanje nanosa ndash pragovi

Jalovišta (nema u RH) Nasipi (obrana od poplava)

Podjela prema materijalu

BETONSKE BRANEo gravitacijske

o olakšane gravitacijske višelučne

raščlanjene (s kontraforima pločama i sl)

15

o lučne

o pokretne rječne

o prednapergnute

Gravitacijske brane ndash masivne pretežno betonske brane koje se utjecaju vanjskih sila suprostavljaju isključivo svojom težinom

Olakšane gravitacijske brane ndash kontrolne galerije (šupljine) smanjuju vlastitu težinu ali imaju znatno širu osnovicu (gt067 H) čime se osigurava stabilnost

Raščlanjene brane s kontraforima ndash olakšana brana sa širom osnovicom bolje podnosi potres i manji uzgon

Lučne brane ndash brane čiji je horizontalni presjek krivolinijskog oblika (oblik luka) a opterećenje se prenosi na bokove

Višelučne brane ndash više lukova

16

Podjela prema veličini

velike brane H ge15m

5leH le15mako je V ak=3 ∙106m3

male brane ndash sve ostale

Podjela prema načinu prenošenja opterećenja

gravitacijske (a) lučne (b) kontraforne (c) kombinirane

Podjela prema utjecaju na rijeku

dolinska pregrada brana

Podjela prema evakuaciji vode

preljevne ndash preljev na tijelu brane nepreljevne ndash preljev izvan tijela brane

ELEMENTI BRANE

evakuacijski organ (preljev) slapište (bučnica) temeljni ispust

(pražnjenje vode i ispiranje nanosa) zahvat temelj kruna brane drenažni sustav injekcijska zavjesa nanos akumulacijski bazen komandna zgrada objekti za skretanje vodnog toka (za vrijeme građenja)

17

Treba se definirati

o os braneo građevinska visina brane (od temelja do krune)o hidraulička visina (razlika kote maksimalnog uspora i kote dna rijeke prije

izgradnje)o dužinu brane u kruni

Faktori koji utječu na izbor tipa brane

IZBOR (I)

NASUTE BRANEo Prednosti

minimalni zahtjevi kod temeljenja i prilagodljivosti skoro svim vrstama terena

mogućnost korištenja raznovrsnog i heterogenog materijala za nasip jeftino i brzo ugrađivanje

o Mane osjetljivost na prelijevanje osjetljivost na procjeđivanje i ispiranje materijala (unutrašnja erozija) za evakuaciju velikih voda potrebni su posebni betonski objekti izvan

brane veliki obim radova (zbog blagih kosina)

18

IZBOR (II)

BETONSKE BRANEo Prednosti

izdržljivost na prelijevanje i procjeđivanje male količine materijala (strm nagib)

o Mane visoki zahtjevi za temeljenje (visoka nosivost tla niska deformabilnost

ne u potresnoj zoni) visoka jedinična cijena (spor rad i brojna radna snaga) za lučne brane provjerava se odnos visine brane i širine doline

U cilju kontrole stanja brane zbog pravovremenog uočavanja promjena na brani i pravovremene provedbe eventualno potrebne sanacije provodi se tehničko promatranje (monitoring oskultacije) brane

vizualna kontrola (uočavanje svih vidljivih promjena naprimjer pukotina oštećenja) praćenje procjeđivanja i pritiska vode mjerenje horizontalnih i vertikalnih pomaka (slijegavanje brane)

61 NASUTE BRANE

Nasipi ndash građevine koje služe za regulaciju vodotoka i omeđivanje korita rijeka vrlo dugi i relativno niski

Nasute brane ndash relativno kratki i visoki nasipi

Nevezani materijal ndash NASUTE BRANEo Zemljane brane od prirodnih materijala

Homogenog presjeka bez zaptivnog tijela Heterogenog presjeka s nepropusnom glinenom vertikalnom ili kosom

jezgrom ili s jezgrom nekog drugog nepropusnog ili slabo propusnog materijala

o Od kamenog nabačaja s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom od prirodnih materijala s vertikalnom dijafragmom od umjetnih ili pripremljenih materijala s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski ljevani

asfalt geomembrane)

19

Vezani materijal ndash BETONSKE BRANE

o AB (rijetko)o od drugih materijala (u prošlosti) drvo metal zidanje

KRITERIJI KOJI MORAJU BITI ZADOVOLJENI

moraju izdržati hidrostatski tlak količina procjedne vode mora biti u prihvatljivim granicama procjeđivanje ne smije izazivati eroziju u brani ili temelju

IZBOR RJEŠENJA OVISI O

1 Sastavu i osobinama temeljnog tla čvrsto i otporno tlo rarr strmiji pokosi primjena materijala velike otpornosti na

smicanje (lomljeni kamen ili krupnozrnati šljunak) tlo veće stlačivosti i male otpornosti na smicanje ndash nagib pokosa mora biti

manji

2 Hidrogeološkim karakteristikama ndash ako su površinske naslage od jače propusnog materijala moguća su rješenja

zamjena propusnog materijala slabije propusnim sprječavanje procjeđivanja injekcijskom zavjesom ili kontinuiranom

dijafragmom nepropusni zastori vertikalne protufiltracijske konstrukcije nizvodna strana ndash drenažni bunari

20

IZBOR LOKACIJE

morfološke karakteristike profila geološke karakteristike ndash rasjedi diskontinuiteti mogućnost evakuacije velikih voda V ndash H odnos Odnos volumena brane i troškova građenja Uvjeti postavljanja hidrotehničkih građevina

Karakteristike

o velika vlastita težina koja se raspodjeljuje na veliku površinu pa se može raditi i na nepovoljnijem terenu (veće stišljivosti i male čvrstoće na smicanje)

o građevina mora biti tehnički sigurna i funkcionalna uz minimalne troškoveo prema materijalu homogene zonirane i nasute s uzvodnim nepropusnim

materijalom

O čemu ovisi odabir tipa brane

Ovisi o tome kakav materijal imamo na raspolaganju i kakve su karakteristike temeljnog tla

1 HOMOGENE ndash primjena samo jednog materijala dovoljno male propusnosti (glinoviti materijali pjeskovito prašinasti glinoviti šljunak) Homogenost nije apsolutna ndash anizotropija se javlja zbog ugradbe u slojevima Ne može se osigurati trajna stabilnost i mora imati drenove Blagi pokosi (nizvodni i uzvodni) jer slabo propusni materijali imaju manju čvrstoću na smicanje

21

DRENOVI

plošni ndash ispod nizvodnog dijela vertikalni ndash u sredini tijela brane spojen s nizvodnom stopom

usklađenost granulometrijskog sastava brane i drenova

Vertikalni dren

2 ZONIRANE ndash od materijala različitih svojstava koji se raspoređuju unutar presjeka tako da se njihove karakteristike optimalno iskoriste (stabilnost i ekonomičnost)

o materijali male propusnosti ndash mala otpornost na smicanjeo materijali veće propusnosti ndash veća otpornost na smicanje

22

Zonirane ndash više materijala koji imaju različite funkcije

o Jezgra ndash osigurava vodonepropusnost ima mali koeficijent provodljivosti i malu otpornost na smicanje ndash glinoviti i prašinasti materijali

o Potporne zone ndash osiguravaju jezgru i podupiru je i s uzvodne strane ndash veća propusnost veća otpornost na smicanje obično manje stlačivosti (zemlja kamen)

Položaj jezgre

- na uzvodnoj strani- u sredini uzvodnog klina- u sredini poprečnog presjeka

BRANE OD KAMENOG NABAČAJA

s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom (glina pjeskovita ilovača prašina) ili dijafragmom (geomembrane)

s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski lijevani asflat geomembrane)

23

Problemi

osjetljivost na uvjete ugradnjeo slabo propusni koherentni materijali mogu se ugrađivati u relativno uskim

granicama oko optimalne vlažnostiglinoviti materijali plusmn 5 oko srednje vrijednostiprašinasti materijali optimalna vlaga

na spoju različitih materijala mijenja se gradijent tlaka i procjedne vode što može izazvati ispiranje čestica sitnijih frakcija (erozija i degradacija jezgre)

- potrebna ugradnja FILTARSKIH SLOJEVA

Jezgra leži na betonskoj galeriji da bi se spriječila postupna erozija jezgre vodom koja bi se mogla zadržavati u temeljnoj stijeni

24

3 NASUTE BRANE S UZVODNIM NEPROPUSNIM MATERIJALOM

Kada u blizini nema materijala za jezgru odgovarajuće nepropusnosti ili su klimatski uvjeti nepovoljni za građenje Nepropusni ekran ndash AB asfalt-beton čelični lim

osjetljivost na termičke promjene osjetljivost zbog različitog ponašanja nasutog materijala i materijala obloge osjetljivost zbog kombinacije prirodnog i umjetnog materijala

MATERIJALI ZA NASIPAVANJE ndash moraju zadovoljiti kontradiktorne zahtjeve

velika otpornost na smicanje relativno mala stišljivost mala propusnost mala osjetljivost na promjene vlažnosti

Prema svojstvima

koherentni materijali (glina niske do visoke plastičnosti s lt 10 pijeska male vodopropusnosti i srednje do velike stišljivosti)

nekoherentni materijali (sitnozrnati s lt 50 pijeska male stišljivosti) krupnozrnati materijali ( gt 50 šljunka mala stišljivost srednja čvrstoća na smicanje)

Prema mogućnostima ugradnje

neosjetljivi na održavanje vlažnosti (glinoviti materijali male do srednje vlažnosti) malo osjetljivi na vlažnost pri ugradnji (šljunak pijesak s malo praha) osjetljivi na vlažnost (prašinasti pijesak prah glinoviti prah) ndash mogućnost ugradbe u

uskom rasponu vlažnosti u odnosu na optimalnu

Prema namjeni

za otješnjenje i onemogućavanje procjeđivanja akumulirane vode za potporne zone ndash gotovo svi drenirajući i filtarski slojevi za zaštitnu oblogu uzvodnog i nizvodnog pokosa ndash otporni na eroziju balastni materijali ndash osiguranje od klizanja

25

Treba osigurati

vodonepropusnost tijela brane vodonepropusnost temeljnog tla

Treba osigurati hidrauličku stabilnost brane

zaštitu od unutrašnje erozije zaštitu od regresivne erozije

UNUTRAŠNJA EROZIJA

unutrašnja erozija je ispiranje čestica sitnijeg materijala kroz šupljine većih čestica bolja zbijenost materijala manja mogućnost ispiranja čestica do unutrašnje erozije dolazi na kontaktu različitih materijala Za spriječavanje

unutrašnje erozije izvode se zaštitni filtarski slojevi Moguće je izvesti jedan ili više filtarskih slojeva

svrha filtarskih slojeva je da spriječe unutrašnju eroziju brane i pronošenje sitnih čestica u smjeru toka vode uključujući i slobodne površine na kojima voda izvire

Filtarski slojevi trebaju ispunjavati slijedeće uvjeteo propusnost filtra treba biti znatno veća od propusnosti materijala iz kojeg

voda dotječeo granulacija filtarskih slojeva mora biti takva da spriječi dalje prenošenje sitnih

čestica kroz filtaro granulacija materijala filtra ne smije dozvoliti unutrašnju eroziju filtra

FILTARSKO PRAVILO (definirano normom HRN)

(F ndash filtarski materijal O ndash bazni materijal tlo jezgra prethodni filtarski sloj)

a) D15F D 15

O gt5 - onemogućava se začepljenje filtra

b) D15F D 85

O le5 - onemogućava se ispiranje

c) D85O otvor ge2 - promjer zrna 2 puta veći od otvora na drenažnoj cijevi

d) Što ujednačeniji granulometrijski sastav ndash da bi se ostvarila željena vodopropusnost i izbjegla segregacija pri čuvanju transportu i ugrađivanju)

26

REGRESIVNA EROZIJA ndash tunnelling efekt

Regresivna erozija nastaje na plohi na kojoj se pojavljuje tečenje vode (vrelna ploha) i tamo gdje su brzine veće od težina čestica pa se one iznose van

Ako je izlazni gradijent i veći od kritičnog izlaznog gradijenta iKR dolazi do regresivne erozije

i= ΔhΔL

iKR=(1minusn ) ∙ρmaterijalaminusρ v

ρv

igtiKR

n ndash mjera šupljikavosti

Izviranje vode na nizvodnoj kosini može se spriječiti ugradnjom drenažnog sustava Drenovi služe za odvodnju procjedne vode pri malom gradijentu i niskom strujnom

tlaku Zaštita nizvodnog pokosa i stabilnosti nožice ndash primjeri drenažnog sustava

27

ELEMENTI OBLIKOVANJA

1 ŠIRINA KRUNE (B)

Nema značajnijeg utjecaja na stabilnost Ovisi o mogućnosti kretanja strojeva uvjetima sigurnosti u potresnim zonama javna

prometnica

B=1+A ∙radicHA=11minus165

2 KOTA KRUNE (KK)

K K=kr+hm+hp+hd+hs+S

Kr ndash najviša radna kota

hm ndash debljina preljevnog mlaza pri dolasku velikih voda

hp ndash visina penjanja valova uz branu zbog pojave plime u smjeru potiskivanja vode vjetrom

hd ndash porast razine zbog plime

hs ndash porast razine zbog pojave polaganih oscilacija

S ndash sigurnosni dodatak (03 ndash 15 m)

hp=0005 ∙V 106 ∙ Le047

V ndash brzina vjetra u kms

V = kVo Vo ndash brzina mjerena na kopnu

k = 103 ndash 13 Le ndash efikasna duljina razmaha vjetra

28

hd=V 2 ∙ L63 ∙D

∙10minus4 ∙ cosα

D ndash dubina (m)

α ndash kut mjerodavnog vjetra prema okomici na smjer brane

Nadvišenje krune brane ndash zbog konsolidacijskog slijeganja nakon izgradnje (hg = εH)

ε = 001

hgge001 ∙H

3 OBLIKOVANJE KOSINA

zadovoljavanje uvjeta stabilnosti pokosa na klizanje vodoravne berme koje prekidaju jednoliki nagib

uzvodni pokos ndash nasute brane mora biti zaštićen od djelovanja valova i atmosferilija (posebno leda) pa se oblaže kamenim nabačajem ili ako se koristi asfalt-betonski cement-betonski ili AB ekran tada on ima i zaštitnu funkciju

nizvodni pokos ndash zemljane nasute brane najčešće se zatravnjuje (nanošenje nanosa) Ako je brana kamena ne treba zatravnjivati iako se ponekad zatravnjuje iz estetskih razloga (uklapanje u okoliš npr brana na Lokvarskom jezeru)

29

PROCJEĐIVANJE

Q ndash protok kroz branu (jezgru) + protok kroz temeljno tlo

Osnovno pravilo ndash treba težiti da se tlakovi u jezgri i procjedna linija u nizvodnom potpornom tijelu snize na minimum a procjedne vode treba skupiti na dnu i preko zaštićenog drenažnog sustava izvesti izvan brane

Vodoravni zastor ndash produljenje puta procjeđivanja

Uspravna nepropusna brana ndash prekida vodoravni tok kroz propusne naslage usmjerava prema dolje ili zatvara presjek do nepropusne zone (čelično žmurje dijafragma od betona i AB)

Vododrživost temeljnog tla

djelomična ili potpuna zamjena tla ndash produženje jezgretemeljnog klina

uzvodni glineni zastor

30

dijafragma

injektiranje

NOSIVOST I STABILNOST

Brana preuzima hidrostatičko opterećenje i sa svojom vlastitom težinom prenosi ga na temeljno tlo

Mehanička stabilnost brana podrazumijeva

stabilnost kosina (pronalaženje kliznih ploha) stabilnost temeljnog tla

Stabilnost zemljanih nasipa (Coulomb 1773g) zakon otpora vezanog zemljišta na smicanje da je jednadžbom

τ=C+σ ∙tgφ

tj kohezijom (c = const) i unutarnjim trenjem (φ) a tgφ ovisi od normalnog naprezanja (σ) u ravnini smicanja

F s=τ f

τ= čvrstoćanasmicanje

otpor nasmicanje

Nasute brane su nepreljevne u smislu prelijevanja preko krune brane Koriste se bočni bunarski preljevi i sl Prelijevanje preko nasute brane pogotovo ukoliko je ono dugotrajno rezultira erodiranjem nizvodnog pokosa što može rezultirati rušenjem brane

Da se spriječi prelijevanje potrebno je dobro

odrediti visinu krune brane odrediti mjerodavni vodni val (velike vode) dimenzionirati izvesti i održavati evakuacijske organe

31

Ako je nizvodno područje naseljeno evakuacijski organi se dimenzioniraju na maksimalnu veliku vodu Ako je nizvodno područje nenaseljeno te pri poplavljivanju ne može doći do ugrožavanja ljudskih života evakuacijski organi se dimenzioniraju na 1000 ndash godišnju veliku vodu

32

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

Primjenjivost litologija strukture rasjedi i pukotine poroznost vrulje ponorske zone u rijekama i akumulacijama izvorske zone u rijekama i akumulacijama detektiranje trase podzemnog toka pronos onečišćenja

22 GEOFIZIČKA ISTRAŽIVANJA

Inženjerska geofizika ndash područje geoloških znanosti koje proučava karakteristike zemljine kore i to njenih gornjih horizonata

ISTRAŽNE BUŠOTINE

KAROTAŽ BUŠOTINA

3

Mjerenje ispod površine terena kojim se mogu odrediti

dubina i rasprostiranje vodonosnog sloja njegov kontinuitet poroznost vodopropusnost stupanj zasićenosti struktura

kemijske karakteristike vode dimenzije prirodnih otvora

Postupci - električna otpornost stijena- vlastiti električni potencijal- prirodni intenzitet gama zračenja- inducirana radioaktivnost- temperaturni gradijent

23 STATIČKA ISTRAŽIVANJA

1 Hidraulički tlačni jastuk ndash jeftina može se ostvariti tlak do 100 baraNedostatak točkasto istraživanje odabir mjernih mjesta presudanProgram ispitivanja veći broj kratkotrajnih ili manji broj dugotrajnih opterećenja

Postupak u stijeni se iskopa prorez u koji se postavi limeni jastuk promjera 2 m i međuprostor između jastuka i stijene ispuni betonom Orijentacija proreza ovisi o tome u kojem smjeru u odnosu na slojeve ili pukotine želimo ostvariti opterećenje

Ručnom pumpom se voda tlači u limeni jastuk i preko betonske ispune prenosi na stijenu Mjerenje deformacija vrši se defometrima koji se postave na obod

Radi se proračun modula elastičnosti (E) i modula deformacija (D)

4

ε p1geε p2geε p3

ε e1leεe2leεe 3

31 sat ndash opterećenje u 8 ciklusa nakon iskopa temelja i prije konsolidacijskog injektiranja stijenske mase Pri svakom opterećivanju zaostao je dio plastične deformacije

Plastična deformacija u 1 fazi koja odgovara izgradnji brane i punjenju do određene razine ispod normalne kote trajne deformacije u 80 slučajeva događaju se u 1 fazi

2 faza ndash faza eksploatacije (potpuno u elastičnom području)

3 faza ndash eventualno preopterećenje (20 trajnih deformacija)

5

2 Vodna komora ndash najstarija metoda istraživanja deformabilnosti stijenskih masa (i za okna pod tlakom) i vodopropusnosti

tuneli kružnog poprečnog presjeka promjera 2 ndash 3 m i dužine do 5 m u stijeni bez oblaganja ili s betonskom oblogom tlakovi do 10 bara

3 Radijalna presa tlak se prenosi preko čelične ploče ili malog tlačnog jastuka za stvaranje tlaka koristi se hidraulička uljna presa deformacije se mjere u zadanom pravcu koji se može mijenjati

6

3 HIDROLOŠKE PODLOGE

zaštita od poplava odnosno pojave velikih voda nakon što ona izađe iz korita očituje se naglim povećanjem protoka ili vodostaja nastalo jakim kišama topljenjem

snijega ili pojavom incidenta ndash rušenje brane ili nasipa odron zemlje zadržavanje velikih voda u AKUMULACIJAMA i RETENCIJAMA

AKUMULACIJE ndash prostori za zadržavanje vode iz kojih se voda ispušta kontrolirano a moguće ju je koristiti za razne svrhe

RETENCIJE ndash prostori za zadržavanje iz kojih se voda ispušta nekontrolirano

PITANJE ODREĐIVANJA VELIKIH VODA

1 usvajanjem najveće zabilježene velike vode ili više njih2 određivanjem velikih voda različitog reda pojave metodama matematičke statistike

na osnovi niza opažanih velikih voda ndash niz mora biti dovoljno dug i pouzdan3 određivanje velikih voda iz oborina na osnovi meteoroloških i hidroloških opažanja

(metode transformacije oborina u otjecanje ndash metoda jediničnog hidrograma i izokrona)

4 upotreba različitih empirijskih izraza

PITANJE MJERODAVNIH VELIKIH VODA

povratno razdoblje analiza rizika odnos veličine šteta i skupoće sustava T = 1000 godina ili više

HIDROLOŠKE I METEOROLOŠKE PODLOGE

1 Opće geografske i hidrografske karakteristike sliva vegetacije oborina temperature zraka vjetar

2 Niz srednjih mjesečnih (tjednih ili dnevnih) protoka za razdoblje 20 ndash 40 godina3 Hidrogrami poplavnih valova različite vjerojatnosti pojave (20 5 2 01

001 maks zabilježena velika voda)

podaci o malim vodama podaci o nanosu (suspendiranom i vučenom) krivulje protoka (učestalosti i trajanja)

7

4 TEMELJENJE HIDROTEHNIČKIH GRAĐEVINA

Najsloženiji i najosjetljiviji problem Nijedna hidrotehnička građevina ne prenosi na temelje sile takvog reda veličine kao velike brane niti prijanja na temelje tako blisko tako da brana i stijena u osloncima čini konstruktivnu cjelinu

Stijena ndash dio zemljine kore podložan fizičkim kemijskim i tektonskim utjecajima

Pogodnost podloge za temeljenje ovisi o tipu brane

OSNOVNE KARAKTERISTIKE TEMELJA

A NOSIVOSTB DEFORMABILNOSTC VODOPROPUSNOSTD STABILNOST

Poseban problem ndash temeljenje u kršu gdje se javlja sufozija rastvaranje (cca 05 mmgod) kolmiranje

A) NOSIVOST

Određuje se

Determinističkim pristupomopterećenje rarr propisi standardi formulerutina rarr nema rizika ako se poštuju propisi

Probabilističkim pristupomzbog neizvjesnosti realnih karakteristika i njihovog stohastičkog karaktera

Deterministički pristup

o Kriterij dopuštenih naprezanja ndash koeficijent sigurnosti kao globalni faktor u odnosu na čvrstoću materijala

σ dop=βkσleσ dop

k ndash koeficijent sigurnostiβ - čvrstoća

8

Probabilistički pristup

o Semiprobabilistička metoda

o Probabilistička metoda- statistički parametri i teorija vjerojatnosti- aritmetička sredina i standardna devijacija- zakon razdiobe (distribucija) koji postoji za svaki statistički skup ndash normalna

distribucija

B) DEFORMABILNOST

Fizičko mehaničke karakteristike(E D β c φ) karakteriziraju stijenski masiv i u funkciji su veličine promatranog prostora i strukturnih formi ndash rasjeda pukotina diskontinuiteta općenito

Presudan je odnos veličine građevine (temelja) i veličine diskontinuiteta

- Različite diskontinuirane sredine

9

gravitacijska betonska brana na ispucaloj stijeni odnos veličine diskontinuiteta i veličine temelja E i D pokazuju svojstva anizotropnosti Deformabilnost temelja ovisi o karakteristikama ispucalosti i slojevitosti

Kriterij ugroženosti betonske brane

Empirijski odnosEbge20 ∙D S Eb ndash modul elastičnosti betona

DS ndash modul deformacije stijene

Deformacijske karakteristike se mogu poboljšati injektiranjem

INJEKTIRANJE ndash postupak ispunjavanja pukotina smjesom na bazi cementao konsolidacijsko injektiranjeo injektiranje za povećanje posmične čvrstoćeo injekcijske zavjese ndash za spriječavanje procjeđivanja vodeo kontaktno ili vezno ndash povezivanje građevine i stijene

Tlak injektiranja p = 2ρgh do 4ρgh ρ ndash gustoća stijenske maseh ndash dubina injektiranja

10

C) VODOPROPUSNOSTa) intergranularnab) pukotinskac) pukotinsko ndash kaverozna (krš)

Tlo se obično predstavlja kao medij s konstantnom vodopropusnošću

Darcyjev zakon ndash brzina strujanja proporcionalna je hidrauličkom gradijentu i koeficijentu hidrauličke provodljivosti

v=k ∙ΔHL

=k ∙ I kminushidraulička provodljivost Iminushidraulički gradijent

k ovisi o - veličini i obliku čestica tla kroz koje protječe voda- porozitetu (n)- o strukturi tla (rasporedu čestica)- o temperaturi vode

11

12

5 SILE

Sile koje djeluju na branu

VANJSKEo Aktivne ndash tlak vode uzgon opterećenje ledom tlo potres valovi stalna i

povremenapokretna opterećenja (kranovi strojevi)

o Pasivne ndash reakcija tla sile trenja sile prionjivosti temeljnog tla i brane

UNUTARNJEo Aktivne ndash vlastita težina brane tlak vode u porama sile uslijed

temperaturnih promjena stezanja betona smrzavanja vode u betonu

o Pasivne ndash uslijed djelovanja naprezanja u brani

13

14

6 BRANE

Brane su hidrotehničke građevine kojima se pregrađuju doline kako bi se voda zadržala radi obrane od poplava (usporavanja vode na željenoj koti) i omogućavanja iskorištenja vode

Podjela prema svrsinamjeni

Akumulacijske (jednonamjenske višenamjenske) Retencijske (privremeno zadržavanje vode) Zahvat vode (vodoopskrba navodnjavanje) Kanaliziranje rijeka (brane u nizu ndash veće dubineplovnost) Zadržavanje nanosa ndash pragovi

Jalovišta (nema u RH) Nasipi (obrana od poplava)

Podjela prema materijalu

BETONSKE BRANEo gravitacijske

o olakšane gravitacijske višelučne

raščlanjene (s kontraforima pločama i sl)

15

o lučne

o pokretne rječne

o prednapergnute

Gravitacijske brane ndash masivne pretežno betonske brane koje se utjecaju vanjskih sila suprostavljaju isključivo svojom težinom

Olakšane gravitacijske brane ndash kontrolne galerije (šupljine) smanjuju vlastitu težinu ali imaju znatno širu osnovicu (gt067 H) čime se osigurava stabilnost

Raščlanjene brane s kontraforima ndash olakšana brana sa širom osnovicom bolje podnosi potres i manji uzgon

Lučne brane ndash brane čiji je horizontalni presjek krivolinijskog oblika (oblik luka) a opterećenje se prenosi na bokove

Višelučne brane ndash više lukova

16

Podjela prema veličini

velike brane H ge15m

5leH le15mako je V ak=3 ∙106m3

male brane ndash sve ostale

Podjela prema načinu prenošenja opterećenja

gravitacijske (a) lučne (b) kontraforne (c) kombinirane

Podjela prema utjecaju na rijeku

dolinska pregrada brana

Podjela prema evakuaciji vode

preljevne ndash preljev na tijelu brane nepreljevne ndash preljev izvan tijela brane

ELEMENTI BRANE

evakuacijski organ (preljev) slapište (bučnica) temeljni ispust

(pražnjenje vode i ispiranje nanosa) zahvat temelj kruna brane drenažni sustav injekcijska zavjesa nanos akumulacijski bazen komandna zgrada objekti za skretanje vodnog toka (za vrijeme građenja)

17

Treba se definirati

o os braneo građevinska visina brane (od temelja do krune)o hidraulička visina (razlika kote maksimalnog uspora i kote dna rijeke prije

izgradnje)o dužinu brane u kruni

Faktori koji utječu na izbor tipa brane

IZBOR (I)

NASUTE BRANEo Prednosti

minimalni zahtjevi kod temeljenja i prilagodljivosti skoro svim vrstama terena

mogućnost korištenja raznovrsnog i heterogenog materijala za nasip jeftino i brzo ugrađivanje

o Mane osjetljivost na prelijevanje osjetljivost na procjeđivanje i ispiranje materijala (unutrašnja erozija) za evakuaciju velikih voda potrebni su posebni betonski objekti izvan

brane veliki obim radova (zbog blagih kosina)

18

IZBOR (II)

BETONSKE BRANEo Prednosti

izdržljivost na prelijevanje i procjeđivanje male količine materijala (strm nagib)

o Mane visoki zahtjevi za temeljenje (visoka nosivost tla niska deformabilnost

ne u potresnoj zoni) visoka jedinična cijena (spor rad i brojna radna snaga) za lučne brane provjerava se odnos visine brane i širine doline

U cilju kontrole stanja brane zbog pravovremenog uočavanja promjena na brani i pravovremene provedbe eventualno potrebne sanacije provodi se tehničko promatranje (monitoring oskultacije) brane

vizualna kontrola (uočavanje svih vidljivih promjena naprimjer pukotina oštećenja) praćenje procjeđivanja i pritiska vode mjerenje horizontalnih i vertikalnih pomaka (slijegavanje brane)

61 NASUTE BRANE

Nasipi ndash građevine koje služe za regulaciju vodotoka i omeđivanje korita rijeka vrlo dugi i relativno niski

Nasute brane ndash relativno kratki i visoki nasipi

Nevezani materijal ndash NASUTE BRANEo Zemljane brane od prirodnih materijala

Homogenog presjeka bez zaptivnog tijela Heterogenog presjeka s nepropusnom glinenom vertikalnom ili kosom

jezgrom ili s jezgrom nekog drugog nepropusnog ili slabo propusnog materijala

o Od kamenog nabačaja s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom od prirodnih materijala s vertikalnom dijafragmom od umjetnih ili pripremljenih materijala s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski ljevani

asfalt geomembrane)

19

Vezani materijal ndash BETONSKE BRANE

o AB (rijetko)o od drugih materijala (u prošlosti) drvo metal zidanje

KRITERIJI KOJI MORAJU BITI ZADOVOLJENI

moraju izdržati hidrostatski tlak količina procjedne vode mora biti u prihvatljivim granicama procjeđivanje ne smije izazivati eroziju u brani ili temelju

IZBOR RJEŠENJA OVISI O

1 Sastavu i osobinama temeljnog tla čvrsto i otporno tlo rarr strmiji pokosi primjena materijala velike otpornosti na

smicanje (lomljeni kamen ili krupnozrnati šljunak) tlo veće stlačivosti i male otpornosti na smicanje ndash nagib pokosa mora biti

manji

2 Hidrogeološkim karakteristikama ndash ako su površinske naslage od jače propusnog materijala moguća su rješenja

zamjena propusnog materijala slabije propusnim sprječavanje procjeđivanja injekcijskom zavjesom ili kontinuiranom

dijafragmom nepropusni zastori vertikalne protufiltracijske konstrukcije nizvodna strana ndash drenažni bunari

20

IZBOR LOKACIJE

morfološke karakteristike profila geološke karakteristike ndash rasjedi diskontinuiteti mogućnost evakuacije velikih voda V ndash H odnos Odnos volumena brane i troškova građenja Uvjeti postavljanja hidrotehničkih građevina

Karakteristike

o velika vlastita težina koja se raspodjeljuje na veliku površinu pa se može raditi i na nepovoljnijem terenu (veće stišljivosti i male čvrstoće na smicanje)

o građevina mora biti tehnički sigurna i funkcionalna uz minimalne troškoveo prema materijalu homogene zonirane i nasute s uzvodnim nepropusnim

materijalom

O čemu ovisi odabir tipa brane

Ovisi o tome kakav materijal imamo na raspolaganju i kakve su karakteristike temeljnog tla

1 HOMOGENE ndash primjena samo jednog materijala dovoljno male propusnosti (glinoviti materijali pjeskovito prašinasti glinoviti šljunak) Homogenost nije apsolutna ndash anizotropija se javlja zbog ugradbe u slojevima Ne može se osigurati trajna stabilnost i mora imati drenove Blagi pokosi (nizvodni i uzvodni) jer slabo propusni materijali imaju manju čvrstoću na smicanje

21

DRENOVI

plošni ndash ispod nizvodnog dijela vertikalni ndash u sredini tijela brane spojen s nizvodnom stopom

usklađenost granulometrijskog sastava brane i drenova

Vertikalni dren

2 ZONIRANE ndash od materijala različitih svojstava koji se raspoređuju unutar presjeka tako da se njihove karakteristike optimalno iskoriste (stabilnost i ekonomičnost)

o materijali male propusnosti ndash mala otpornost na smicanjeo materijali veće propusnosti ndash veća otpornost na smicanje

22

Zonirane ndash više materijala koji imaju različite funkcije

o Jezgra ndash osigurava vodonepropusnost ima mali koeficijent provodljivosti i malu otpornost na smicanje ndash glinoviti i prašinasti materijali

o Potporne zone ndash osiguravaju jezgru i podupiru je i s uzvodne strane ndash veća propusnost veća otpornost na smicanje obično manje stlačivosti (zemlja kamen)

Položaj jezgre

- na uzvodnoj strani- u sredini uzvodnog klina- u sredini poprečnog presjeka

BRANE OD KAMENOG NABAČAJA

s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom (glina pjeskovita ilovača prašina) ili dijafragmom (geomembrane)

s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski lijevani asflat geomembrane)

23

Problemi

osjetljivost na uvjete ugradnjeo slabo propusni koherentni materijali mogu se ugrađivati u relativno uskim

granicama oko optimalne vlažnostiglinoviti materijali plusmn 5 oko srednje vrijednostiprašinasti materijali optimalna vlaga

na spoju različitih materijala mijenja se gradijent tlaka i procjedne vode što može izazvati ispiranje čestica sitnijih frakcija (erozija i degradacija jezgre)

- potrebna ugradnja FILTARSKIH SLOJEVA

Jezgra leži na betonskoj galeriji da bi se spriječila postupna erozija jezgre vodom koja bi se mogla zadržavati u temeljnoj stijeni

24

3 NASUTE BRANE S UZVODNIM NEPROPUSNIM MATERIJALOM

Kada u blizini nema materijala za jezgru odgovarajuće nepropusnosti ili su klimatski uvjeti nepovoljni za građenje Nepropusni ekran ndash AB asfalt-beton čelični lim

osjetljivost na termičke promjene osjetljivost zbog različitog ponašanja nasutog materijala i materijala obloge osjetljivost zbog kombinacije prirodnog i umjetnog materijala

MATERIJALI ZA NASIPAVANJE ndash moraju zadovoljiti kontradiktorne zahtjeve

velika otpornost na smicanje relativno mala stišljivost mala propusnost mala osjetljivost na promjene vlažnosti

Prema svojstvima

koherentni materijali (glina niske do visoke plastičnosti s lt 10 pijeska male vodopropusnosti i srednje do velike stišljivosti)

nekoherentni materijali (sitnozrnati s lt 50 pijeska male stišljivosti) krupnozrnati materijali ( gt 50 šljunka mala stišljivost srednja čvrstoća na smicanje)

Prema mogućnostima ugradnje

neosjetljivi na održavanje vlažnosti (glinoviti materijali male do srednje vlažnosti) malo osjetljivi na vlažnost pri ugradnji (šljunak pijesak s malo praha) osjetljivi na vlažnost (prašinasti pijesak prah glinoviti prah) ndash mogućnost ugradbe u

uskom rasponu vlažnosti u odnosu na optimalnu

Prema namjeni

za otješnjenje i onemogućavanje procjeđivanja akumulirane vode za potporne zone ndash gotovo svi drenirajući i filtarski slojevi za zaštitnu oblogu uzvodnog i nizvodnog pokosa ndash otporni na eroziju balastni materijali ndash osiguranje od klizanja

25

Treba osigurati

vodonepropusnost tijela brane vodonepropusnost temeljnog tla

Treba osigurati hidrauličku stabilnost brane

zaštitu od unutrašnje erozije zaštitu od regresivne erozije

UNUTRAŠNJA EROZIJA

unutrašnja erozija je ispiranje čestica sitnijeg materijala kroz šupljine većih čestica bolja zbijenost materijala manja mogućnost ispiranja čestica do unutrašnje erozije dolazi na kontaktu različitih materijala Za spriječavanje

unutrašnje erozije izvode se zaštitni filtarski slojevi Moguće je izvesti jedan ili više filtarskih slojeva

svrha filtarskih slojeva je da spriječe unutrašnju eroziju brane i pronošenje sitnih čestica u smjeru toka vode uključujući i slobodne površine na kojima voda izvire

Filtarski slojevi trebaju ispunjavati slijedeće uvjeteo propusnost filtra treba biti znatno veća od propusnosti materijala iz kojeg

voda dotječeo granulacija filtarskih slojeva mora biti takva da spriječi dalje prenošenje sitnih

čestica kroz filtaro granulacija materijala filtra ne smije dozvoliti unutrašnju eroziju filtra

FILTARSKO PRAVILO (definirano normom HRN)

(F ndash filtarski materijal O ndash bazni materijal tlo jezgra prethodni filtarski sloj)

a) D15F D 15

O gt5 - onemogućava se začepljenje filtra

b) D15F D 85

O le5 - onemogućava se ispiranje

c) D85O otvor ge2 - promjer zrna 2 puta veći od otvora na drenažnoj cijevi

d) Što ujednačeniji granulometrijski sastav ndash da bi se ostvarila željena vodopropusnost i izbjegla segregacija pri čuvanju transportu i ugrađivanju)

26

REGRESIVNA EROZIJA ndash tunnelling efekt

Regresivna erozija nastaje na plohi na kojoj se pojavljuje tečenje vode (vrelna ploha) i tamo gdje su brzine veće od težina čestica pa se one iznose van

Ako je izlazni gradijent i veći od kritičnog izlaznog gradijenta iKR dolazi do regresivne erozije

i= ΔhΔL

iKR=(1minusn ) ∙ρmaterijalaminusρ v

ρv

igtiKR

n ndash mjera šupljikavosti

Izviranje vode na nizvodnoj kosini može se spriječiti ugradnjom drenažnog sustava Drenovi služe za odvodnju procjedne vode pri malom gradijentu i niskom strujnom

tlaku Zaštita nizvodnog pokosa i stabilnosti nožice ndash primjeri drenažnog sustava

27

ELEMENTI OBLIKOVANJA

1 ŠIRINA KRUNE (B)

Nema značajnijeg utjecaja na stabilnost Ovisi o mogućnosti kretanja strojeva uvjetima sigurnosti u potresnim zonama javna

prometnica

B=1+A ∙radicHA=11minus165

2 KOTA KRUNE (KK)

K K=kr+hm+hp+hd+hs+S

Kr ndash najviša radna kota

hm ndash debljina preljevnog mlaza pri dolasku velikih voda

hp ndash visina penjanja valova uz branu zbog pojave plime u smjeru potiskivanja vode vjetrom

hd ndash porast razine zbog plime

hs ndash porast razine zbog pojave polaganih oscilacija

S ndash sigurnosni dodatak (03 ndash 15 m)

hp=0005 ∙V 106 ∙ Le047

V ndash brzina vjetra u kms

V = kVo Vo ndash brzina mjerena na kopnu

k = 103 ndash 13 Le ndash efikasna duljina razmaha vjetra

28

hd=V 2 ∙ L63 ∙D

∙10minus4 ∙ cosα

D ndash dubina (m)

α ndash kut mjerodavnog vjetra prema okomici na smjer brane

Nadvišenje krune brane ndash zbog konsolidacijskog slijeganja nakon izgradnje (hg = εH)

ε = 001

hgge001 ∙H

3 OBLIKOVANJE KOSINA

zadovoljavanje uvjeta stabilnosti pokosa na klizanje vodoravne berme koje prekidaju jednoliki nagib

uzvodni pokos ndash nasute brane mora biti zaštićen od djelovanja valova i atmosferilija (posebno leda) pa se oblaže kamenim nabačajem ili ako se koristi asfalt-betonski cement-betonski ili AB ekran tada on ima i zaštitnu funkciju

nizvodni pokos ndash zemljane nasute brane najčešće se zatravnjuje (nanošenje nanosa) Ako je brana kamena ne treba zatravnjivati iako se ponekad zatravnjuje iz estetskih razloga (uklapanje u okoliš npr brana na Lokvarskom jezeru)

29

PROCJEĐIVANJE

Q ndash protok kroz branu (jezgru) + protok kroz temeljno tlo

Osnovno pravilo ndash treba težiti da se tlakovi u jezgri i procjedna linija u nizvodnom potpornom tijelu snize na minimum a procjedne vode treba skupiti na dnu i preko zaštićenog drenažnog sustava izvesti izvan brane

Vodoravni zastor ndash produljenje puta procjeđivanja

Uspravna nepropusna brana ndash prekida vodoravni tok kroz propusne naslage usmjerava prema dolje ili zatvara presjek do nepropusne zone (čelično žmurje dijafragma od betona i AB)

Vododrživost temeljnog tla

djelomična ili potpuna zamjena tla ndash produženje jezgretemeljnog klina

uzvodni glineni zastor

30

dijafragma

injektiranje

NOSIVOST I STABILNOST

Brana preuzima hidrostatičko opterećenje i sa svojom vlastitom težinom prenosi ga na temeljno tlo

Mehanička stabilnost brana podrazumijeva

stabilnost kosina (pronalaženje kliznih ploha) stabilnost temeljnog tla

Stabilnost zemljanih nasipa (Coulomb 1773g) zakon otpora vezanog zemljišta na smicanje da je jednadžbom

τ=C+σ ∙tgφ

tj kohezijom (c = const) i unutarnjim trenjem (φ) a tgφ ovisi od normalnog naprezanja (σ) u ravnini smicanja

F s=τ f

τ= čvrstoćanasmicanje

otpor nasmicanje

Nasute brane su nepreljevne u smislu prelijevanja preko krune brane Koriste se bočni bunarski preljevi i sl Prelijevanje preko nasute brane pogotovo ukoliko je ono dugotrajno rezultira erodiranjem nizvodnog pokosa što može rezultirati rušenjem brane

Da se spriječi prelijevanje potrebno je dobro

odrediti visinu krune brane odrediti mjerodavni vodni val (velike vode) dimenzionirati izvesti i održavati evakuacijske organe

31

Ako je nizvodno područje naseljeno evakuacijski organi se dimenzioniraju na maksimalnu veliku vodu Ako je nizvodno područje nenaseljeno te pri poplavljivanju ne može doći do ugrožavanja ljudskih života evakuacijski organi se dimenzioniraju na 1000 ndash godišnju veliku vodu

32

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

Mjerenje ispod površine terena kojim se mogu odrediti

dubina i rasprostiranje vodonosnog sloja njegov kontinuitet poroznost vodopropusnost stupanj zasićenosti struktura

kemijske karakteristike vode dimenzije prirodnih otvora

Postupci - električna otpornost stijena- vlastiti električni potencijal- prirodni intenzitet gama zračenja- inducirana radioaktivnost- temperaturni gradijent

23 STATIČKA ISTRAŽIVANJA

1 Hidraulički tlačni jastuk ndash jeftina može se ostvariti tlak do 100 baraNedostatak točkasto istraživanje odabir mjernih mjesta presudanProgram ispitivanja veći broj kratkotrajnih ili manji broj dugotrajnih opterećenja

Postupak u stijeni se iskopa prorez u koji se postavi limeni jastuk promjera 2 m i međuprostor između jastuka i stijene ispuni betonom Orijentacija proreza ovisi o tome u kojem smjeru u odnosu na slojeve ili pukotine želimo ostvariti opterećenje

Ručnom pumpom se voda tlači u limeni jastuk i preko betonske ispune prenosi na stijenu Mjerenje deformacija vrši se defometrima koji se postave na obod

Radi se proračun modula elastičnosti (E) i modula deformacija (D)

4

ε p1geε p2geε p3

ε e1leεe2leεe 3

31 sat ndash opterećenje u 8 ciklusa nakon iskopa temelja i prije konsolidacijskog injektiranja stijenske mase Pri svakom opterećivanju zaostao je dio plastične deformacije

Plastična deformacija u 1 fazi koja odgovara izgradnji brane i punjenju do određene razine ispod normalne kote trajne deformacije u 80 slučajeva događaju se u 1 fazi

2 faza ndash faza eksploatacije (potpuno u elastičnom području)

3 faza ndash eventualno preopterećenje (20 trajnih deformacija)

5

2 Vodna komora ndash najstarija metoda istraživanja deformabilnosti stijenskih masa (i za okna pod tlakom) i vodopropusnosti

tuneli kružnog poprečnog presjeka promjera 2 ndash 3 m i dužine do 5 m u stijeni bez oblaganja ili s betonskom oblogom tlakovi do 10 bara

3 Radijalna presa tlak se prenosi preko čelične ploče ili malog tlačnog jastuka za stvaranje tlaka koristi se hidraulička uljna presa deformacije se mjere u zadanom pravcu koji se može mijenjati

6

3 HIDROLOŠKE PODLOGE

zaštita od poplava odnosno pojave velikih voda nakon što ona izađe iz korita očituje se naglim povećanjem protoka ili vodostaja nastalo jakim kišama topljenjem

snijega ili pojavom incidenta ndash rušenje brane ili nasipa odron zemlje zadržavanje velikih voda u AKUMULACIJAMA i RETENCIJAMA

AKUMULACIJE ndash prostori za zadržavanje vode iz kojih se voda ispušta kontrolirano a moguće ju je koristiti za razne svrhe

RETENCIJE ndash prostori za zadržavanje iz kojih se voda ispušta nekontrolirano

PITANJE ODREĐIVANJA VELIKIH VODA

1 usvajanjem najveće zabilježene velike vode ili više njih2 određivanjem velikih voda različitog reda pojave metodama matematičke statistike

na osnovi niza opažanih velikih voda ndash niz mora biti dovoljno dug i pouzdan3 određivanje velikih voda iz oborina na osnovi meteoroloških i hidroloških opažanja

(metode transformacije oborina u otjecanje ndash metoda jediničnog hidrograma i izokrona)

4 upotreba različitih empirijskih izraza

PITANJE MJERODAVNIH VELIKIH VODA

povratno razdoblje analiza rizika odnos veličine šteta i skupoće sustava T = 1000 godina ili više

HIDROLOŠKE I METEOROLOŠKE PODLOGE

1 Opće geografske i hidrografske karakteristike sliva vegetacije oborina temperature zraka vjetar

2 Niz srednjih mjesečnih (tjednih ili dnevnih) protoka za razdoblje 20 ndash 40 godina3 Hidrogrami poplavnih valova različite vjerojatnosti pojave (20 5 2 01

001 maks zabilježena velika voda)

podaci o malim vodama podaci o nanosu (suspendiranom i vučenom) krivulje protoka (učestalosti i trajanja)

7

4 TEMELJENJE HIDROTEHNIČKIH GRAĐEVINA

Najsloženiji i najosjetljiviji problem Nijedna hidrotehnička građevina ne prenosi na temelje sile takvog reda veličine kao velike brane niti prijanja na temelje tako blisko tako da brana i stijena u osloncima čini konstruktivnu cjelinu

Stijena ndash dio zemljine kore podložan fizičkim kemijskim i tektonskim utjecajima

Pogodnost podloge za temeljenje ovisi o tipu brane

OSNOVNE KARAKTERISTIKE TEMELJA

A NOSIVOSTB DEFORMABILNOSTC VODOPROPUSNOSTD STABILNOST

Poseban problem ndash temeljenje u kršu gdje se javlja sufozija rastvaranje (cca 05 mmgod) kolmiranje

A) NOSIVOST

Određuje se

Determinističkim pristupomopterećenje rarr propisi standardi formulerutina rarr nema rizika ako se poštuju propisi

Probabilističkim pristupomzbog neizvjesnosti realnih karakteristika i njihovog stohastičkog karaktera

Deterministički pristup

o Kriterij dopuštenih naprezanja ndash koeficijent sigurnosti kao globalni faktor u odnosu na čvrstoću materijala

σ dop=βkσleσ dop

k ndash koeficijent sigurnostiβ - čvrstoća

8

Probabilistički pristup

o Semiprobabilistička metoda

o Probabilistička metoda- statistički parametri i teorija vjerojatnosti- aritmetička sredina i standardna devijacija- zakon razdiobe (distribucija) koji postoji za svaki statistički skup ndash normalna

distribucija

B) DEFORMABILNOST

Fizičko mehaničke karakteristike(E D β c φ) karakteriziraju stijenski masiv i u funkciji su veličine promatranog prostora i strukturnih formi ndash rasjeda pukotina diskontinuiteta općenito

Presudan je odnos veličine građevine (temelja) i veličine diskontinuiteta

- Različite diskontinuirane sredine

9

gravitacijska betonska brana na ispucaloj stijeni odnos veličine diskontinuiteta i veličine temelja E i D pokazuju svojstva anizotropnosti Deformabilnost temelja ovisi o karakteristikama ispucalosti i slojevitosti

Kriterij ugroženosti betonske brane

Empirijski odnosEbge20 ∙D S Eb ndash modul elastičnosti betona

DS ndash modul deformacije stijene

Deformacijske karakteristike se mogu poboljšati injektiranjem

INJEKTIRANJE ndash postupak ispunjavanja pukotina smjesom na bazi cementao konsolidacijsko injektiranjeo injektiranje za povećanje posmične čvrstoćeo injekcijske zavjese ndash za spriječavanje procjeđivanja vodeo kontaktno ili vezno ndash povezivanje građevine i stijene

Tlak injektiranja p = 2ρgh do 4ρgh ρ ndash gustoća stijenske maseh ndash dubina injektiranja

10

C) VODOPROPUSNOSTa) intergranularnab) pukotinskac) pukotinsko ndash kaverozna (krš)

Tlo se obično predstavlja kao medij s konstantnom vodopropusnošću

Darcyjev zakon ndash brzina strujanja proporcionalna je hidrauličkom gradijentu i koeficijentu hidrauličke provodljivosti

v=k ∙ΔHL

=k ∙ I kminushidraulička provodljivost Iminushidraulički gradijent

k ovisi o - veličini i obliku čestica tla kroz koje protječe voda- porozitetu (n)- o strukturi tla (rasporedu čestica)- o temperaturi vode

11

12

5 SILE

Sile koje djeluju na branu

VANJSKEo Aktivne ndash tlak vode uzgon opterećenje ledom tlo potres valovi stalna i

povremenapokretna opterećenja (kranovi strojevi)

o Pasivne ndash reakcija tla sile trenja sile prionjivosti temeljnog tla i brane

UNUTARNJEo Aktivne ndash vlastita težina brane tlak vode u porama sile uslijed

temperaturnih promjena stezanja betona smrzavanja vode u betonu

o Pasivne ndash uslijed djelovanja naprezanja u brani

13

14

6 BRANE

Brane su hidrotehničke građevine kojima se pregrađuju doline kako bi se voda zadržala radi obrane od poplava (usporavanja vode na željenoj koti) i omogućavanja iskorištenja vode

Podjela prema svrsinamjeni

Akumulacijske (jednonamjenske višenamjenske) Retencijske (privremeno zadržavanje vode) Zahvat vode (vodoopskrba navodnjavanje) Kanaliziranje rijeka (brane u nizu ndash veće dubineplovnost) Zadržavanje nanosa ndash pragovi

Jalovišta (nema u RH) Nasipi (obrana od poplava)

Podjela prema materijalu

BETONSKE BRANEo gravitacijske

o olakšane gravitacijske višelučne

raščlanjene (s kontraforima pločama i sl)

15

o lučne

o pokretne rječne

o prednapergnute

Gravitacijske brane ndash masivne pretežno betonske brane koje se utjecaju vanjskih sila suprostavljaju isključivo svojom težinom

Olakšane gravitacijske brane ndash kontrolne galerije (šupljine) smanjuju vlastitu težinu ali imaju znatno širu osnovicu (gt067 H) čime se osigurava stabilnost

Raščlanjene brane s kontraforima ndash olakšana brana sa širom osnovicom bolje podnosi potres i manji uzgon

Lučne brane ndash brane čiji je horizontalni presjek krivolinijskog oblika (oblik luka) a opterećenje se prenosi na bokove

Višelučne brane ndash više lukova

16

Podjela prema veličini

velike brane H ge15m

5leH le15mako je V ak=3 ∙106m3

male brane ndash sve ostale

Podjela prema načinu prenošenja opterećenja

gravitacijske (a) lučne (b) kontraforne (c) kombinirane

Podjela prema utjecaju na rijeku

dolinska pregrada brana

Podjela prema evakuaciji vode

preljevne ndash preljev na tijelu brane nepreljevne ndash preljev izvan tijela brane

ELEMENTI BRANE

evakuacijski organ (preljev) slapište (bučnica) temeljni ispust

(pražnjenje vode i ispiranje nanosa) zahvat temelj kruna brane drenažni sustav injekcijska zavjesa nanos akumulacijski bazen komandna zgrada objekti za skretanje vodnog toka (za vrijeme građenja)

17

Treba se definirati

o os braneo građevinska visina brane (od temelja do krune)o hidraulička visina (razlika kote maksimalnog uspora i kote dna rijeke prije

izgradnje)o dužinu brane u kruni

Faktori koji utječu na izbor tipa brane

IZBOR (I)

NASUTE BRANEo Prednosti

minimalni zahtjevi kod temeljenja i prilagodljivosti skoro svim vrstama terena

mogućnost korištenja raznovrsnog i heterogenog materijala za nasip jeftino i brzo ugrađivanje

o Mane osjetljivost na prelijevanje osjetljivost na procjeđivanje i ispiranje materijala (unutrašnja erozija) za evakuaciju velikih voda potrebni su posebni betonski objekti izvan

brane veliki obim radova (zbog blagih kosina)

18

IZBOR (II)

BETONSKE BRANEo Prednosti

izdržljivost na prelijevanje i procjeđivanje male količine materijala (strm nagib)

o Mane visoki zahtjevi za temeljenje (visoka nosivost tla niska deformabilnost

ne u potresnoj zoni) visoka jedinična cijena (spor rad i brojna radna snaga) za lučne brane provjerava se odnos visine brane i širine doline

U cilju kontrole stanja brane zbog pravovremenog uočavanja promjena na brani i pravovremene provedbe eventualno potrebne sanacije provodi se tehničko promatranje (monitoring oskultacije) brane

vizualna kontrola (uočavanje svih vidljivih promjena naprimjer pukotina oštećenja) praćenje procjeđivanja i pritiska vode mjerenje horizontalnih i vertikalnih pomaka (slijegavanje brane)

61 NASUTE BRANE

Nasipi ndash građevine koje služe za regulaciju vodotoka i omeđivanje korita rijeka vrlo dugi i relativno niski

Nasute brane ndash relativno kratki i visoki nasipi

Nevezani materijal ndash NASUTE BRANEo Zemljane brane od prirodnih materijala

Homogenog presjeka bez zaptivnog tijela Heterogenog presjeka s nepropusnom glinenom vertikalnom ili kosom

jezgrom ili s jezgrom nekog drugog nepropusnog ili slabo propusnog materijala

o Od kamenog nabačaja s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom od prirodnih materijala s vertikalnom dijafragmom od umjetnih ili pripremljenih materijala s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski ljevani

asfalt geomembrane)

19

Vezani materijal ndash BETONSKE BRANE

o AB (rijetko)o od drugih materijala (u prošlosti) drvo metal zidanje

KRITERIJI KOJI MORAJU BITI ZADOVOLJENI

moraju izdržati hidrostatski tlak količina procjedne vode mora biti u prihvatljivim granicama procjeđivanje ne smije izazivati eroziju u brani ili temelju

IZBOR RJEŠENJA OVISI O

1 Sastavu i osobinama temeljnog tla čvrsto i otporno tlo rarr strmiji pokosi primjena materijala velike otpornosti na

smicanje (lomljeni kamen ili krupnozrnati šljunak) tlo veće stlačivosti i male otpornosti na smicanje ndash nagib pokosa mora biti

manji

2 Hidrogeološkim karakteristikama ndash ako su površinske naslage od jače propusnog materijala moguća su rješenja

zamjena propusnog materijala slabije propusnim sprječavanje procjeđivanja injekcijskom zavjesom ili kontinuiranom

dijafragmom nepropusni zastori vertikalne protufiltracijske konstrukcije nizvodna strana ndash drenažni bunari

20

IZBOR LOKACIJE

morfološke karakteristike profila geološke karakteristike ndash rasjedi diskontinuiteti mogućnost evakuacije velikih voda V ndash H odnos Odnos volumena brane i troškova građenja Uvjeti postavljanja hidrotehničkih građevina

Karakteristike

o velika vlastita težina koja se raspodjeljuje na veliku površinu pa se može raditi i na nepovoljnijem terenu (veće stišljivosti i male čvrstoće na smicanje)

o građevina mora biti tehnički sigurna i funkcionalna uz minimalne troškoveo prema materijalu homogene zonirane i nasute s uzvodnim nepropusnim

materijalom

O čemu ovisi odabir tipa brane

Ovisi o tome kakav materijal imamo na raspolaganju i kakve su karakteristike temeljnog tla

1 HOMOGENE ndash primjena samo jednog materijala dovoljno male propusnosti (glinoviti materijali pjeskovito prašinasti glinoviti šljunak) Homogenost nije apsolutna ndash anizotropija se javlja zbog ugradbe u slojevima Ne može se osigurati trajna stabilnost i mora imati drenove Blagi pokosi (nizvodni i uzvodni) jer slabo propusni materijali imaju manju čvrstoću na smicanje

21

DRENOVI

plošni ndash ispod nizvodnog dijela vertikalni ndash u sredini tijela brane spojen s nizvodnom stopom

usklađenost granulometrijskog sastava brane i drenova

Vertikalni dren

2 ZONIRANE ndash od materijala različitih svojstava koji se raspoređuju unutar presjeka tako da se njihove karakteristike optimalno iskoriste (stabilnost i ekonomičnost)

o materijali male propusnosti ndash mala otpornost na smicanjeo materijali veće propusnosti ndash veća otpornost na smicanje

22

Zonirane ndash više materijala koji imaju različite funkcije

o Jezgra ndash osigurava vodonepropusnost ima mali koeficijent provodljivosti i malu otpornost na smicanje ndash glinoviti i prašinasti materijali

o Potporne zone ndash osiguravaju jezgru i podupiru je i s uzvodne strane ndash veća propusnost veća otpornost na smicanje obično manje stlačivosti (zemlja kamen)

Položaj jezgre

- na uzvodnoj strani- u sredini uzvodnog klina- u sredini poprečnog presjeka

BRANE OD KAMENOG NABAČAJA

s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom (glina pjeskovita ilovača prašina) ili dijafragmom (geomembrane)

s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski lijevani asflat geomembrane)

23

Problemi

osjetljivost na uvjete ugradnjeo slabo propusni koherentni materijali mogu se ugrađivati u relativno uskim

granicama oko optimalne vlažnostiglinoviti materijali plusmn 5 oko srednje vrijednostiprašinasti materijali optimalna vlaga

na spoju različitih materijala mijenja se gradijent tlaka i procjedne vode što može izazvati ispiranje čestica sitnijih frakcija (erozija i degradacija jezgre)

- potrebna ugradnja FILTARSKIH SLOJEVA

Jezgra leži na betonskoj galeriji da bi se spriječila postupna erozija jezgre vodom koja bi se mogla zadržavati u temeljnoj stijeni

24

3 NASUTE BRANE S UZVODNIM NEPROPUSNIM MATERIJALOM

Kada u blizini nema materijala za jezgru odgovarajuće nepropusnosti ili su klimatski uvjeti nepovoljni za građenje Nepropusni ekran ndash AB asfalt-beton čelični lim

osjetljivost na termičke promjene osjetljivost zbog različitog ponašanja nasutog materijala i materijala obloge osjetljivost zbog kombinacije prirodnog i umjetnog materijala

MATERIJALI ZA NASIPAVANJE ndash moraju zadovoljiti kontradiktorne zahtjeve

velika otpornost na smicanje relativno mala stišljivost mala propusnost mala osjetljivost na promjene vlažnosti

Prema svojstvima

koherentni materijali (glina niske do visoke plastičnosti s lt 10 pijeska male vodopropusnosti i srednje do velike stišljivosti)

nekoherentni materijali (sitnozrnati s lt 50 pijeska male stišljivosti) krupnozrnati materijali ( gt 50 šljunka mala stišljivost srednja čvrstoća na smicanje)

Prema mogućnostima ugradnje

neosjetljivi na održavanje vlažnosti (glinoviti materijali male do srednje vlažnosti) malo osjetljivi na vlažnost pri ugradnji (šljunak pijesak s malo praha) osjetljivi na vlažnost (prašinasti pijesak prah glinoviti prah) ndash mogućnost ugradbe u

uskom rasponu vlažnosti u odnosu na optimalnu

Prema namjeni

za otješnjenje i onemogućavanje procjeđivanja akumulirane vode za potporne zone ndash gotovo svi drenirajući i filtarski slojevi za zaštitnu oblogu uzvodnog i nizvodnog pokosa ndash otporni na eroziju balastni materijali ndash osiguranje od klizanja

25

Treba osigurati

vodonepropusnost tijela brane vodonepropusnost temeljnog tla

Treba osigurati hidrauličku stabilnost brane

zaštitu od unutrašnje erozije zaštitu od regresivne erozije

UNUTRAŠNJA EROZIJA

unutrašnja erozija je ispiranje čestica sitnijeg materijala kroz šupljine većih čestica bolja zbijenost materijala manja mogućnost ispiranja čestica do unutrašnje erozije dolazi na kontaktu različitih materijala Za spriječavanje

unutrašnje erozije izvode se zaštitni filtarski slojevi Moguće je izvesti jedan ili više filtarskih slojeva

svrha filtarskih slojeva je da spriječe unutrašnju eroziju brane i pronošenje sitnih čestica u smjeru toka vode uključujući i slobodne površine na kojima voda izvire

Filtarski slojevi trebaju ispunjavati slijedeće uvjeteo propusnost filtra treba biti znatno veća od propusnosti materijala iz kojeg

voda dotječeo granulacija filtarskih slojeva mora biti takva da spriječi dalje prenošenje sitnih

čestica kroz filtaro granulacija materijala filtra ne smije dozvoliti unutrašnju eroziju filtra

FILTARSKO PRAVILO (definirano normom HRN)

(F ndash filtarski materijal O ndash bazni materijal tlo jezgra prethodni filtarski sloj)

a) D15F D 15

O gt5 - onemogućava se začepljenje filtra

b) D15F D 85

O le5 - onemogućava se ispiranje

c) D85O otvor ge2 - promjer zrna 2 puta veći od otvora na drenažnoj cijevi

d) Što ujednačeniji granulometrijski sastav ndash da bi se ostvarila željena vodopropusnost i izbjegla segregacija pri čuvanju transportu i ugrađivanju)

26

REGRESIVNA EROZIJA ndash tunnelling efekt

Regresivna erozija nastaje na plohi na kojoj se pojavljuje tečenje vode (vrelna ploha) i tamo gdje su brzine veće od težina čestica pa se one iznose van

Ako je izlazni gradijent i veći od kritičnog izlaznog gradijenta iKR dolazi do regresivne erozije

i= ΔhΔL

iKR=(1minusn ) ∙ρmaterijalaminusρ v

ρv

igtiKR

n ndash mjera šupljikavosti

Izviranje vode na nizvodnoj kosini može se spriječiti ugradnjom drenažnog sustava Drenovi služe za odvodnju procjedne vode pri malom gradijentu i niskom strujnom

tlaku Zaštita nizvodnog pokosa i stabilnosti nožice ndash primjeri drenažnog sustava

27

ELEMENTI OBLIKOVANJA

1 ŠIRINA KRUNE (B)

Nema značajnijeg utjecaja na stabilnost Ovisi o mogućnosti kretanja strojeva uvjetima sigurnosti u potresnim zonama javna

prometnica

B=1+A ∙radicHA=11minus165

2 KOTA KRUNE (KK)

K K=kr+hm+hp+hd+hs+S

Kr ndash najviša radna kota

hm ndash debljina preljevnog mlaza pri dolasku velikih voda

hp ndash visina penjanja valova uz branu zbog pojave plime u smjeru potiskivanja vode vjetrom

hd ndash porast razine zbog plime

hs ndash porast razine zbog pojave polaganih oscilacija

S ndash sigurnosni dodatak (03 ndash 15 m)

hp=0005 ∙V 106 ∙ Le047

V ndash brzina vjetra u kms

V = kVo Vo ndash brzina mjerena na kopnu

k = 103 ndash 13 Le ndash efikasna duljina razmaha vjetra

28

hd=V 2 ∙ L63 ∙D

∙10minus4 ∙ cosα

D ndash dubina (m)

α ndash kut mjerodavnog vjetra prema okomici na smjer brane

Nadvišenje krune brane ndash zbog konsolidacijskog slijeganja nakon izgradnje (hg = εH)

ε = 001

hgge001 ∙H

3 OBLIKOVANJE KOSINA

zadovoljavanje uvjeta stabilnosti pokosa na klizanje vodoravne berme koje prekidaju jednoliki nagib

uzvodni pokos ndash nasute brane mora biti zaštićen od djelovanja valova i atmosferilija (posebno leda) pa se oblaže kamenim nabačajem ili ako se koristi asfalt-betonski cement-betonski ili AB ekran tada on ima i zaštitnu funkciju

nizvodni pokos ndash zemljane nasute brane najčešće se zatravnjuje (nanošenje nanosa) Ako je brana kamena ne treba zatravnjivati iako se ponekad zatravnjuje iz estetskih razloga (uklapanje u okoliš npr brana na Lokvarskom jezeru)

29

PROCJEĐIVANJE

Q ndash protok kroz branu (jezgru) + protok kroz temeljno tlo

Osnovno pravilo ndash treba težiti da se tlakovi u jezgri i procjedna linija u nizvodnom potpornom tijelu snize na minimum a procjedne vode treba skupiti na dnu i preko zaštićenog drenažnog sustava izvesti izvan brane

Vodoravni zastor ndash produljenje puta procjeđivanja

Uspravna nepropusna brana ndash prekida vodoravni tok kroz propusne naslage usmjerava prema dolje ili zatvara presjek do nepropusne zone (čelično žmurje dijafragma od betona i AB)

Vododrživost temeljnog tla

djelomična ili potpuna zamjena tla ndash produženje jezgretemeljnog klina

uzvodni glineni zastor

30

dijafragma

injektiranje

NOSIVOST I STABILNOST

Brana preuzima hidrostatičko opterećenje i sa svojom vlastitom težinom prenosi ga na temeljno tlo

Mehanička stabilnost brana podrazumijeva

stabilnost kosina (pronalaženje kliznih ploha) stabilnost temeljnog tla

Stabilnost zemljanih nasipa (Coulomb 1773g) zakon otpora vezanog zemljišta na smicanje da je jednadžbom

τ=C+σ ∙tgφ

tj kohezijom (c = const) i unutarnjim trenjem (φ) a tgφ ovisi od normalnog naprezanja (σ) u ravnini smicanja

F s=τ f

τ= čvrstoćanasmicanje

otpor nasmicanje

Nasute brane su nepreljevne u smislu prelijevanja preko krune brane Koriste se bočni bunarski preljevi i sl Prelijevanje preko nasute brane pogotovo ukoliko je ono dugotrajno rezultira erodiranjem nizvodnog pokosa što može rezultirati rušenjem brane

Da se spriječi prelijevanje potrebno je dobro

odrediti visinu krune brane odrediti mjerodavni vodni val (velike vode) dimenzionirati izvesti i održavati evakuacijske organe

31

Ako je nizvodno područje naseljeno evakuacijski organi se dimenzioniraju na maksimalnu veliku vodu Ako je nizvodno područje nenaseljeno te pri poplavljivanju ne može doći do ugrožavanja ljudskih života evakuacijski organi se dimenzioniraju na 1000 ndash godišnju veliku vodu

32

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

ε p1geε p2geε p3

ε e1leεe2leεe 3

31 sat ndash opterećenje u 8 ciklusa nakon iskopa temelja i prije konsolidacijskog injektiranja stijenske mase Pri svakom opterećivanju zaostao je dio plastične deformacije

Plastična deformacija u 1 fazi koja odgovara izgradnji brane i punjenju do određene razine ispod normalne kote trajne deformacije u 80 slučajeva događaju se u 1 fazi

2 faza ndash faza eksploatacije (potpuno u elastičnom području)

3 faza ndash eventualno preopterećenje (20 trajnih deformacija)

5

2 Vodna komora ndash najstarija metoda istraživanja deformabilnosti stijenskih masa (i za okna pod tlakom) i vodopropusnosti

tuneli kružnog poprečnog presjeka promjera 2 ndash 3 m i dužine do 5 m u stijeni bez oblaganja ili s betonskom oblogom tlakovi do 10 bara

3 Radijalna presa tlak se prenosi preko čelične ploče ili malog tlačnog jastuka za stvaranje tlaka koristi se hidraulička uljna presa deformacije se mjere u zadanom pravcu koji se može mijenjati

6

3 HIDROLOŠKE PODLOGE

zaštita od poplava odnosno pojave velikih voda nakon što ona izađe iz korita očituje se naglim povećanjem protoka ili vodostaja nastalo jakim kišama topljenjem

snijega ili pojavom incidenta ndash rušenje brane ili nasipa odron zemlje zadržavanje velikih voda u AKUMULACIJAMA i RETENCIJAMA

AKUMULACIJE ndash prostori za zadržavanje vode iz kojih se voda ispušta kontrolirano a moguće ju je koristiti za razne svrhe

RETENCIJE ndash prostori za zadržavanje iz kojih se voda ispušta nekontrolirano

PITANJE ODREĐIVANJA VELIKIH VODA

1 usvajanjem najveće zabilježene velike vode ili više njih2 određivanjem velikih voda različitog reda pojave metodama matematičke statistike

na osnovi niza opažanih velikih voda ndash niz mora biti dovoljno dug i pouzdan3 određivanje velikih voda iz oborina na osnovi meteoroloških i hidroloških opažanja

(metode transformacije oborina u otjecanje ndash metoda jediničnog hidrograma i izokrona)

4 upotreba različitih empirijskih izraza

PITANJE MJERODAVNIH VELIKIH VODA

povratno razdoblje analiza rizika odnos veličine šteta i skupoće sustava T = 1000 godina ili više

HIDROLOŠKE I METEOROLOŠKE PODLOGE

1 Opće geografske i hidrografske karakteristike sliva vegetacije oborina temperature zraka vjetar

2 Niz srednjih mjesečnih (tjednih ili dnevnih) protoka za razdoblje 20 ndash 40 godina3 Hidrogrami poplavnih valova različite vjerojatnosti pojave (20 5 2 01

001 maks zabilježena velika voda)

podaci o malim vodama podaci o nanosu (suspendiranom i vučenom) krivulje protoka (učestalosti i trajanja)

7

4 TEMELJENJE HIDROTEHNIČKIH GRAĐEVINA

Najsloženiji i najosjetljiviji problem Nijedna hidrotehnička građevina ne prenosi na temelje sile takvog reda veličine kao velike brane niti prijanja na temelje tako blisko tako da brana i stijena u osloncima čini konstruktivnu cjelinu

Stijena ndash dio zemljine kore podložan fizičkim kemijskim i tektonskim utjecajima

Pogodnost podloge za temeljenje ovisi o tipu brane

OSNOVNE KARAKTERISTIKE TEMELJA

A NOSIVOSTB DEFORMABILNOSTC VODOPROPUSNOSTD STABILNOST

Poseban problem ndash temeljenje u kršu gdje se javlja sufozija rastvaranje (cca 05 mmgod) kolmiranje

A) NOSIVOST

Određuje se

Determinističkim pristupomopterećenje rarr propisi standardi formulerutina rarr nema rizika ako se poštuju propisi

Probabilističkim pristupomzbog neizvjesnosti realnih karakteristika i njihovog stohastičkog karaktera

Deterministički pristup

o Kriterij dopuštenih naprezanja ndash koeficijent sigurnosti kao globalni faktor u odnosu na čvrstoću materijala

σ dop=βkσleσ dop

k ndash koeficijent sigurnostiβ - čvrstoća

8

Probabilistički pristup

o Semiprobabilistička metoda

o Probabilistička metoda- statistički parametri i teorija vjerojatnosti- aritmetička sredina i standardna devijacija- zakon razdiobe (distribucija) koji postoji za svaki statistički skup ndash normalna

distribucija

B) DEFORMABILNOST

Fizičko mehaničke karakteristike(E D β c φ) karakteriziraju stijenski masiv i u funkciji su veličine promatranog prostora i strukturnih formi ndash rasjeda pukotina diskontinuiteta općenito

Presudan je odnos veličine građevine (temelja) i veličine diskontinuiteta

- Različite diskontinuirane sredine

9

gravitacijska betonska brana na ispucaloj stijeni odnos veličine diskontinuiteta i veličine temelja E i D pokazuju svojstva anizotropnosti Deformabilnost temelja ovisi o karakteristikama ispucalosti i slojevitosti

Kriterij ugroženosti betonske brane

Empirijski odnosEbge20 ∙D S Eb ndash modul elastičnosti betona

DS ndash modul deformacije stijene

Deformacijske karakteristike se mogu poboljšati injektiranjem

INJEKTIRANJE ndash postupak ispunjavanja pukotina smjesom na bazi cementao konsolidacijsko injektiranjeo injektiranje za povećanje posmične čvrstoćeo injekcijske zavjese ndash za spriječavanje procjeđivanja vodeo kontaktno ili vezno ndash povezivanje građevine i stijene

Tlak injektiranja p = 2ρgh do 4ρgh ρ ndash gustoća stijenske maseh ndash dubina injektiranja

10

C) VODOPROPUSNOSTa) intergranularnab) pukotinskac) pukotinsko ndash kaverozna (krš)

Tlo se obično predstavlja kao medij s konstantnom vodopropusnošću

Darcyjev zakon ndash brzina strujanja proporcionalna je hidrauličkom gradijentu i koeficijentu hidrauličke provodljivosti

v=k ∙ΔHL

=k ∙ I kminushidraulička provodljivost Iminushidraulički gradijent

k ovisi o - veličini i obliku čestica tla kroz koje protječe voda- porozitetu (n)- o strukturi tla (rasporedu čestica)- o temperaturi vode

11

12

5 SILE

Sile koje djeluju na branu

VANJSKEo Aktivne ndash tlak vode uzgon opterećenje ledom tlo potres valovi stalna i

povremenapokretna opterećenja (kranovi strojevi)

o Pasivne ndash reakcija tla sile trenja sile prionjivosti temeljnog tla i brane

UNUTARNJEo Aktivne ndash vlastita težina brane tlak vode u porama sile uslijed

temperaturnih promjena stezanja betona smrzavanja vode u betonu

o Pasivne ndash uslijed djelovanja naprezanja u brani

13

14

6 BRANE

Brane su hidrotehničke građevine kojima se pregrađuju doline kako bi se voda zadržala radi obrane od poplava (usporavanja vode na željenoj koti) i omogućavanja iskorištenja vode

Podjela prema svrsinamjeni

Akumulacijske (jednonamjenske višenamjenske) Retencijske (privremeno zadržavanje vode) Zahvat vode (vodoopskrba navodnjavanje) Kanaliziranje rijeka (brane u nizu ndash veće dubineplovnost) Zadržavanje nanosa ndash pragovi

Jalovišta (nema u RH) Nasipi (obrana od poplava)

Podjela prema materijalu

BETONSKE BRANEo gravitacijske

o olakšane gravitacijske višelučne

raščlanjene (s kontraforima pločama i sl)

15

o lučne

o pokretne rječne

o prednapergnute

Gravitacijske brane ndash masivne pretežno betonske brane koje se utjecaju vanjskih sila suprostavljaju isključivo svojom težinom

Olakšane gravitacijske brane ndash kontrolne galerije (šupljine) smanjuju vlastitu težinu ali imaju znatno širu osnovicu (gt067 H) čime se osigurava stabilnost

Raščlanjene brane s kontraforima ndash olakšana brana sa širom osnovicom bolje podnosi potres i manji uzgon

Lučne brane ndash brane čiji je horizontalni presjek krivolinijskog oblika (oblik luka) a opterećenje se prenosi na bokove

Višelučne brane ndash više lukova

16

Podjela prema veličini

velike brane H ge15m

5leH le15mako je V ak=3 ∙106m3

male brane ndash sve ostale

Podjela prema načinu prenošenja opterećenja

gravitacijske (a) lučne (b) kontraforne (c) kombinirane

Podjela prema utjecaju na rijeku

dolinska pregrada brana

Podjela prema evakuaciji vode

preljevne ndash preljev na tijelu brane nepreljevne ndash preljev izvan tijela brane

ELEMENTI BRANE

evakuacijski organ (preljev) slapište (bučnica) temeljni ispust

(pražnjenje vode i ispiranje nanosa) zahvat temelj kruna brane drenažni sustav injekcijska zavjesa nanos akumulacijski bazen komandna zgrada objekti za skretanje vodnog toka (za vrijeme građenja)

17

Treba se definirati

o os braneo građevinska visina brane (od temelja do krune)o hidraulička visina (razlika kote maksimalnog uspora i kote dna rijeke prije

izgradnje)o dužinu brane u kruni

Faktori koji utječu na izbor tipa brane

IZBOR (I)

NASUTE BRANEo Prednosti

minimalni zahtjevi kod temeljenja i prilagodljivosti skoro svim vrstama terena

mogućnost korištenja raznovrsnog i heterogenog materijala za nasip jeftino i brzo ugrađivanje

o Mane osjetljivost na prelijevanje osjetljivost na procjeđivanje i ispiranje materijala (unutrašnja erozija) za evakuaciju velikih voda potrebni su posebni betonski objekti izvan

brane veliki obim radova (zbog blagih kosina)

18

IZBOR (II)

BETONSKE BRANEo Prednosti

izdržljivost na prelijevanje i procjeđivanje male količine materijala (strm nagib)

o Mane visoki zahtjevi za temeljenje (visoka nosivost tla niska deformabilnost

ne u potresnoj zoni) visoka jedinična cijena (spor rad i brojna radna snaga) za lučne brane provjerava se odnos visine brane i širine doline

U cilju kontrole stanja brane zbog pravovremenog uočavanja promjena na brani i pravovremene provedbe eventualno potrebne sanacije provodi se tehničko promatranje (monitoring oskultacije) brane

vizualna kontrola (uočavanje svih vidljivih promjena naprimjer pukotina oštećenja) praćenje procjeđivanja i pritiska vode mjerenje horizontalnih i vertikalnih pomaka (slijegavanje brane)

61 NASUTE BRANE

Nasipi ndash građevine koje služe za regulaciju vodotoka i omeđivanje korita rijeka vrlo dugi i relativno niski

Nasute brane ndash relativno kratki i visoki nasipi

Nevezani materijal ndash NASUTE BRANEo Zemljane brane od prirodnih materijala

Homogenog presjeka bez zaptivnog tijela Heterogenog presjeka s nepropusnom glinenom vertikalnom ili kosom

jezgrom ili s jezgrom nekog drugog nepropusnog ili slabo propusnog materijala

o Od kamenog nabačaja s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom od prirodnih materijala s vertikalnom dijafragmom od umjetnih ili pripremljenih materijala s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski ljevani

asfalt geomembrane)

19

Vezani materijal ndash BETONSKE BRANE

o AB (rijetko)o od drugih materijala (u prošlosti) drvo metal zidanje

KRITERIJI KOJI MORAJU BITI ZADOVOLJENI

moraju izdržati hidrostatski tlak količina procjedne vode mora biti u prihvatljivim granicama procjeđivanje ne smije izazivati eroziju u brani ili temelju

IZBOR RJEŠENJA OVISI O

1 Sastavu i osobinama temeljnog tla čvrsto i otporno tlo rarr strmiji pokosi primjena materijala velike otpornosti na

smicanje (lomljeni kamen ili krupnozrnati šljunak) tlo veće stlačivosti i male otpornosti na smicanje ndash nagib pokosa mora biti

manji

2 Hidrogeološkim karakteristikama ndash ako su površinske naslage od jače propusnog materijala moguća su rješenja

zamjena propusnog materijala slabije propusnim sprječavanje procjeđivanja injekcijskom zavjesom ili kontinuiranom

dijafragmom nepropusni zastori vertikalne protufiltracijske konstrukcije nizvodna strana ndash drenažni bunari

20

IZBOR LOKACIJE

morfološke karakteristike profila geološke karakteristike ndash rasjedi diskontinuiteti mogućnost evakuacije velikih voda V ndash H odnos Odnos volumena brane i troškova građenja Uvjeti postavljanja hidrotehničkih građevina

Karakteristike

o velika vlastita težina koja se raspodjeljuje na veliku površinu pa se može raditi i na nepovoljnijem terenu (veće stišljivosti i male čvrstoće na smicanje)

o građevina mora biti tehnički sigurna i funkcionalna uz minimalne troškoveo prema materijalu homogene zonirane i nasute s uzvodnim nepropusnim

materijalom

O čemu ovisi odabir tipa brane

Ovisi o tome kakav materijal imamo na raspolaganju i kakve su karakteristike temeljnog tla

1 HOMOGENE ndash primjena samo jednog materijala dovoljno male propusnosti (glinoviti materijali pjeskovito prašinasti glinoviti šljunak) Homogenost nije apsolutna ndash anizotropija se javlja zbog ugradbe u slojevima Ne može se osigurati trajna stabilnost i mora imati drenove Blagi pokosi (nizvodni i uzvodni) jer slabo propusni materijali imaju manju čvrstoću na smicanje

21

DRENOVI

plošni ndash ispod nizvodnog dijela vertikalni ndash u sredini tijela brane spojen s nizvodnom stopom

usklađenost granulometrijskog sastava brane i drenova

Vertikalni dren

2 ZONIRANE ndash od materijala različitih svojstava koji se raspoređuju unutar presjeka tako da se njihove karakteristike optimalno iskoriste (stabilnost i ekonomičnost)

o materijali male propusnosti ndash mala otpornost na smicanjeo materijali veće propusnosti ndash veća otpornost na smicanje

22

Zonirane ndash više materijala koji imaju različite funkcije

o Jezgra ndash osigurava vodonepropusnost ima mali koeficijent provodljivosti i malu otpornost na smicanje ndash glinoviti i prašinasti materijali

o Potporne zone ndash osiguravaju jezgru i podupiru je i s uzvodne strane ndash veća propusnost veća otpornost na smicanje obično manje stlačivosti (zemlja kamen)

Položaj jezgre

- na uzvodnoj strani- u sredini uzvodnog klina- u sredini poprečnog presjeka

BRANE OD KAMENOG NABAČAJA

s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom (glina pjeskovita ilovača prašina) ili dijafragmom (geomembrane)

s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski lijevani asflat geomembrane)

23

Problemi

osjetljivost na uvjete ugradnjeo slabo propusni koherentni materijali mogu se ugrađivati u relativno uskim

granicama oko optimalne vlažnostiglinoviti materijali plusmn 5 oko srednje vrijednostiprašinasti materijali optimalna vlaga

na spoju različitih materijala mijenja se gradijent tlaka i procjedne vode što može izazvati ispiranje čestica sitnijih frakcija (erozija i degradacija jezgre)

- potrebna ugradnja FILTARSKIH SLOJEVA

Jezgra leži na betonskoj galeriji da bi se spriječila postupna erozija jezgre vodom koja bi se mogla zadržavati u temeljnoj stijeni

24

3 NASUTE BRANE S UZVODNIM NEPROPUSNIM MATERIJALOM

Kada u blizini nema materijala za jezgru odgovarajuće nepropusnosti ili su klimatski uvjeti nepovoljni za građenje Nepropusni ekran ndash AB asfalt-beton čelični lim

osjetljivost na termičke promjene osjetljivost zbog različitog ponašanja nasutog materijala i materijala obloge osjetljivost zbog kombinacije prirodnog i umjetnog materijala

MATERIJALI ZA NASIPAVANJE ndash moraju zadovoljiti kontradiktorne zahtjeve

velika otpornost na smicanje relativno mala stišljivost mala propusnost mala osjetljivost na promjene vlažnosti

Prema svojstvima

koherentni materijali (glina niske do visoke plastičnosti s lt 10 pijeska male vodopropusnosti i srednje do velike stišljivosti)

nekoherentni materijali (sitnozrnati s lt 50 pijeska male stišljivosti) krupnozrnati materijali ( gt 50 šljunka mala stišljivost srednja čvrstoća na smicanje)

Prema mogućnostima ugradnje

neosjetljivi na održavanje vlažnosti (glinoviti materijali male do srednje vlažnosti) malo osjetljivi na vlažnost pri ugradnji (šljunak pijesak s malo praha) osjetljivi na vlažnost (prašinasti pijesak prah glinoviti prah) ndash mogućnost ugradbe u

uskom rasponu vlažnosti u odnosu na optimalnu

Prema namjeni

za otješnjenje i onemogućavanje procjeđivanja akumulirane vode za potporne zone ndash gotovo svi drenirajući i filtarski slojevi za zaštitnu oblogu uzvodnog i nizvodnog pokosa ndash otporni na eroziju balastni materijali ndash osiguranje od klizanja

25

Treba osigurati

vodonepropusnost tijela brane vodonepropusnost temeljnog tla

Treba osigurati hidrauličku stabilnost brane

zaštitu od unutrašnje erozije zaštitu od regresivne erozije

UNUTRAŠNJA EROZIJA

unutrašnja erozija je ispiranje čestica sitnijeg materijala kroz šupljine većih čestica bolja zbijenost materijala manja mogućnost ispiranja čestica do unutrašnje erozije dolazi na kontaktu različitih materijala Za spriječavanje

unutrašnje erozije izvode se zaštitni filtarski slojevi Moguće je izvesti jedan ili više filtarskih slojeva

svrha filtarskih slojeva je da spriječe unutrašnju eroziju brane i pronošenje sitnih čestica u smjeru toka vode uključujući i slobodne površine na kojima voda izvire

Filtarski slojevi trebaju ispunjavati slijedeće uvjeteo propusnost filtra treba biti znatno veća od propusnosti materijala iz kojeg

voda dotječeo granulacija filtarskih slojeva mora biti takva da spriječi dalje prenošenje sitnih

čestica kroz filtaro granulacija materijala filtra ne smije dozvoliti unutrašnju eroziju filtra

FILTARSKO PRAVILO (definirano normom HRN)

(F ndash filtarski materijal O ndash bazni materijal tlo jezgra prethodni filtarski sloj)

a) D15F D 15

O gt5 - onemogućava se začepljenje filtra

b) D15F D 85

O le5 - onemogućava se ispiranje

c) D85O otvor ge2 - promjer zrna 2 puta veći od otvora na drenažnoj cijevi

d) Što ujednačeniji granulometrijski sastav ndash da bi se ostvarila željena vodopropusnost i izbjegla segregacija pri čuvanju transportu i ugrađivanju)

26

REGRESIVNA EROZIJA ndash tunnelling efekt

Regresivna erozija nastaje na plohi na kojoj se pojavljuje tečenje vode (vrelna ploha) i tamo gdje su brzine veće od težina čestica pa se one iznose van

Ako je izlazni gradijent i veći od kritičnog izlaznog gradijenta iKR dolazi do regresivne erozije

i= ΔhΔL

iKR=(1minusn ) ∙ρmaterijalaminusρ v

ρv

igtiKR

n ndash mjera šupljikavosti

Izviranje vode na nizvodnoj kosini može se spriječiti ugradnjom drenažnog sustava Drenovi služe za odvodnju procjedne vode pri malom gradijentu i niskom strujnom

tlaku Zaštita nizvodnog pokosa i stabilnosti nožice ndash primjeri drenažnog sustava

27

ELEMENTI OBLIKOVANJA

1 ŠIRINA KRUNE (B)

Nema značajnijeg utjecaja na stabilnost Ovisi o mogućnosti kretanja strojeva uvjetima sigurnosti u potresnim zonama javna

prometnica

B=1+A ∙radicHA=11minus165

2 KOTA KRUNE (KK)

K K=kr+hm+hp+hd+hs+S

Kr ndash najviša radna kota

hm ndash debljina preljevnog mlaza pri dolasku velikih voda

hp ndash visina penjanja valova uz branu zbog pojave plime u smjeru potiskivanja vode vjetrom

hd ndash porast razine zbog plime

hs ndash porast razine zbog pojave polaganih oscilacija

S ndash sigurnosni dodatak (03 ndash 15 m)

hp=0005 ∙V 106 ∙ Le047

V ndash brzina vjetra u kms

V = kVo Vo ndash brzina mjerena na kopnu

k = 103 ndash 13 Le ndash efikasna duljina razmaha vjetra

28

hd=V 2 ∙ L63 ∙D

∙10minus4 ∙ cosα

D ndash dubina (m)

α ndash kut mjerodavnog vjetra prema okomici na smjer brane

Nadvišenje krune brane ndash zbog konsolidacijskog slijeganja nakon izgradnje (hg = εH)

ε = 001

hgge001 ∙H

3 OBLIKOVANJE KOSINA

zadovoljavanje uvjeta stabilnosti pokosa na klizanje vodoravne berme koje prekidaju jednoliki nagib

uzvodni pokos ndash nasute brane mora biti zaštićen od djelovanja valova i atmosferilija (posebno leda) pa se oblaže kamenim nabačajem ili ako se koristi asfalt-betonski cement-betonski ili AB ekran tada on ima i zaštitnu funkciju

nizvodni pokos ndash zemljane nasute brane najčešće se zatravnjuje (nanošenje nanosa) Ako je brana kamena ne treba zatravnjivati iako se ponekad zatravnjuje iz estetskih razloga (uklapanje u okoliš npr brana na Lokvarskom jezeru)

29

PROCJEĐIVANJE

Q ndash protok kroz branu (jezgru) + protok kroz temeljno tlo

Osnovno pravilo ndash treba težiti da se tlakovi u jezgri i procjedna linija u nizvodnom potpornom tijelu snize na minimum a procjedne vode treba skupiti na dnu i preko zaštićenog drenažnog sustava izvesti izvan brane

Vodoravni zastor ndash produljenje puta procjeđivanja

Uspravna nepropusna brana ndash prekida vodoravni tok kroz propusne naslage usmjerava prema dolje ili zatvara presjek do nepropusne zone (čelično žmurje dijafragma od betona i AB)

Vododrživost temeljnog tla

djelomična ili potpuna zamjena tla ndash produženje jezgretemeljnog klina

uzvodni glineni zastor

30

dijafragma

injektiranje

NOSIVOST I STABILNOST

Brana preuzima hidrostatičko opterećenje i sa svojom vlastitom težinom prenosi ga na temeljno tlo

Mehanička stabilnost brana podrazumijeva

stabilnost kosina (pronalaženje kliznih ploha) stabilnost temeljnog tla

Stabilnost zemljanih nasipa (Coulomb 1773g) zakon otpora vezanog zemljišta na smicanje da je jednadžbom

τ=C+σ ∙tgφ

tj kohezijom (c = const) i unutarnjim trenjem (φ) a tgφ ovisi od normalnog naprezanja (σ) u ravnini smicanja

F s=τ f

τ= čvrstoćanasmicanje

otpor nasmicanje

Nasute brane su nepreljevne u smislu prelijevanja preko krune brane Koriste se bočni bunarski preljevi i sl Prelijevanje preko nasute brane pogotovo ukoliko je ono dugotrajno rezultira erodiranjem nizvodnog pokosa što može rezultirati rušenjem brane

Da se spriječi prelijevanje potrebno je dobro

odrediti visinu krune brane odrediti mjerodavni vodni val (velike vode) dimenzionirati izvesti i održavati evakuacijske organe

31

Ako je nizvodno područje naseljeno evakuacijski organi se dimenzioniraju na maksimalnu veliku vodu Ako je nizvodno područje nenaseljeno te pri poplavljivanju ne može doći do ugrožavanja ljudskih života evakuacijski organi se dimenzioniraju na 1000 ndash godišnju veliku vodu

32

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

2 Vodna komora ndash najstarija metoda istraživanja deformabilnosti stijenskih masa (i za okna pod tlakom) i vodopropusnosti

tuneli kružnog poprečnog presjeka promjera 2 ndash 3 m i dužine do 5 m u stijeni bez oblaganja ili s betonskom oblogom tlakovi do 10 bara

3 Radijalna presa tlak se prenosi preko čelične ploče ili malog tlačnog jastuka za stvaranje tlaka koristi se hidraulička uljna presa deformacije se mjere u zadanom pravcu koji se može mijenjati

6

3 HIDROLOŠKE PODLOGE

zaštita od poplava odnosno pojave velikih voda nakon što ona izađe iz korita očituje se naglim povećanjem protoka ili vodostaja nastalo jakim kišama topljenjem

snijega ili pojavom incidenta ndash rušenje brane ili nasipa odron zemlje zadržavanje velikih voda u AKUMULACIJAMA i RETENCIJAMA

AKUMULACIJE ndash prostori za zadržavanje vode iz kojih se voda ispušta kontrolirano a moguće ju je koristiti za razne svrhe

RETENCIJE ndash prostori za zadržavanje iz kojih se voda ispušta nekontrolirano

PITANJE ODREĐIVANJA VELIKIH VODA

1 usvajanjem najveće zabilježene velike vode ili više njih2 određivanjem velikih voda različitog reda pojave metodama matematičke statistike

na osnovi niza opažanih velikih voda ndash niz mora biti dovoljno dug i pouzdan3 određivanje velikih voda iz oborina na osnovi meteoroloških i hidroloških opažanja

(metode transformacije oborina u otjecanje ndash metoda jediničnog hidrograma i izokrona)

4 upotreba različitih empirijskih izraza

PITANJE MJERODAVNIH VELIKIH VODA

povratno razdoblje analiza rizika odnos veličine šteta i skupoće sustava T = 1000 godina ili više

HIDROLOŠKE I METEOROLOŠKE PODLOGE

1 Opće geografske i hidrografske karakteristike sliva vegetacije oborina temperature zraka vjetar

2 Niz srednjih mjesečnih (tjednih ili dnevnih) protoka za razdoblje 20 ndash 40 godina3 Hidrogrami poplavnih valova različite vjerojatnosti pojave (20 5 2 01

001 maks zabilježena velika voda)

podaci o malim vodama podaci o nanosu (suspendiranom i vučenom) krivulje protoka (učestalosti i trajanja)

7

4 TEMELJENJE HIDROTEHNIČKIH GRAĐEVINA

Najsloženiji i najosjetljiviji problem Nijedna hidrotehnička građevina ne prenosi na temelje sile takvog reda veličine kao velike brane niti prijanja na temelje tako blisko tako da brana i stijena u osloncima čini konstruktivnu cjelinu

Stijena ndash dio zemljine kore podložan fizičkim kemijskim i tektonskim utjecajima

Pogodnost podloge za temeljenje ovisi o tipu brane

OSNOVNE KARAKTERISTIKE TEMELJA

A NOSIVOSTB DEFORMABILNOSTC VODOPROPUSNOSTD STABILNOST

Poseban problem ndash temeljenje u kršu gdje se javlja sufozija rastvaranje (cca 05 mmgod) kolmiranje

A) NOSIVOST

Određuje se

Determinističkim pristupomopterećenje rarr propisi standardi formulerutina rarr nema rizika ako se poštuju propisi

Probabilističkim pristupomzbog neizvjesnosti realnih karakteristika i njihovog stohastičkog karaktera

Deterministički pristup

o Kriterij dopuštenih naprezanja ndash koeficijent sigurnosti kao globalni faktor u odnosu na čvrstoću materijala

σ dop=βkσleσ dop

k ndash koeficijent sigurnostiβ - čvrstoća

8

Probabilistički pristup

o Semiprobabilistička metoda

o Probabilistička metoda- statistički parametri i teorija vjerojatnosti- aritmetička sredina i standardna devijacija- zakon razdiobe (distribucija) koji postoji za svaki statistički skup ndash normalna

distribucija

B) DEFORMABILNOST

Fizičko mehaničke karakteristike(E D β c φ) karakteriziraju stijenski masiv i u funkciji su veličine promatranog prostora i strukturnih formi ndash rasjeda pukotina diskontinuiteta općenito

Presudan je odnos veličine građevine (temelja) i veličine diskontinuiteta

- Različite diskontinuirane sredine

9

gravitacijska betonska brana na ispucaloj stijeni odnos veličine diskontinuiteta i veličine temelja E i D pokazuju svojstva anizotropnosti Deformabilnost temelja ovisi o karakteristikama ispucalosti i slojevitosti

Kriterij ugroženosti betonske brane

Empirijski odnosEbge20 ∙D S Eb ndash modul elastičnosti betona

DS ndash modul deformacije stijene

Deformacijske karakteristike se mogu poboljšati injektiranjem

INJEKTIRANJE ndash postupak ispunjavanja pukotina smjesom na bazi cementao konsolidacijsko injektiranjeo injektiranje za povećanje posmične čvrstoćeo injekcijske zavjese ndash za spriječavanje procjeđivanja vodeo kontaktno ili vezno ndash povezivanje građevine i stijene

Tlak injektiranja p = 2ρgh do 4ρgh ρ ndash gustoća stijenske maseh ndash dubina injektiranja

10

C) VODOPROPUSNOSTa) intergranularnab) pukotinskac) pukotinsko ndash kaverozna (krš)

Tlo se obično predstavlja kao medij s konstantnom vodopropusnošću

Darcyjev zakon ndash brzina strujanja proporcionalna je hidrauličkom gradijentu i koeficijentu hidrauličke provodljivosti

v=k ∙ΔHL

=k ∙ I kminushidraulička provodljivost Iminushidraulički gradijent

k ovisi o - veličini i obliku čestica tla kroz koje protječe voda- porozitetu (n)- o strukturi tla (rasporedu čestica)- o temperaturi vode

11

12

5 SILE

Sile koje djeluju na branu

VANJSKEo Aktivne ndash tlak vode uzgon opterećenje ledom tlo potres valovi stalna i

povremenapokretna opterećenja (kranovi strojevi)

o Pasivne ndash reakcija tla sile trenja sile prionjivosti temeljnog tla i brane

UNUTARNJEo Aktivne ndash vlastita težina brane tlak vode u porama sile uslijed

temperaturnih promjena stezanja betona smrzavanja vode u betonu

o Pasivne ndash uslijed djelovanja naprezanja u brani

13

14

6 BRANE

Brane su hidrotehničke građevine kojima se pregrađuju doline kako bi se voda zadržala radi obrane od poplava (usporavanja vode na željenoj koti) i omogućavanja iskorištenja vode

Podjela prema svrsinamjeni

Akumulacijske (jednonamjenske višenamjenske) Retencijske (privremeno zadržavanje vode) Zahvat vode (vodoopskrba navodnjavanje) Kanaliziranje rijeka (brane u nizu ndash veće dubineplovnost) Zadržavanje nanosa ndash pragovi

Jalovišta (nema u RH) Nasipi (obrana od poplava)

Podjela prema materijalu

BETONSKE BRANEo gravitacijske

o olakšane gravitacijske višelučne

raščlanjene (s kontraforima pločama i sl)

15

o lučne

o pokretne rječne

o prednapergnute

Gravitacijske brane ndash masivne pretežno betonske brane koje se utjecaju vanjskih sila suprostavljaju isključivo svojom težinom

Olakšane gravitacijske brane ndash kontrolne galerije (šupljine) smanjuju vlastitu težinu ali imaju znatno širu osnovicu (gt067 H) čime se osigurava stabilnost

Raščlanjene brane s kontraforima ndash olakšana brana sa širom osnovicom bolje podnosi potres i manji uzgon

Lučne brane ndash brane čiji je horizontalni presjek krivolinijskog oblika (oblik luka) a opterećenje se prenosi na bokove

Višelučne brane ndash više lukova

16

Podjela prema veličini

velike brane H ge15m

5leH le15mako je V ak=3 ∙106m3

male brane ndash sve ostale

Podjela prema načinu prenošenja opterećenja

gravitacijske (a) lučne (b) kontraforne (c) kombinirane

Podjela prema utjecaju na rijeku

dolinska pregrada brana

Podjela prema evakuaciji vode

preljevne ndash preljev na tijelu brane nepreljevne ndash preljev izvan tijela brane

ELEMENTI BRANE

evakuacijski organ (preljev) slapište (bučnica) temeljni ispust

(pražnjenje vode i ispiranje nanosa) zahvat temelj kruna brane drenažni sustav injekcijska zavjesa nanos akumulacijski bazen komandna zgrada objekti za skretanje vodnog toka (za vrijeme građenja)

17

Treba se definirati

o os braneo građevinska visina brane (od temelja do krune)o hidraulička visina (razlika kote maksimalnog uspora i kote dna rijeke prije

izgradnje)o dužinu brane u kruni

Faktori koji utječu na izbor tipa brane

IZBOR (I)

NASUTE BRANEo Prednosti

minimalni zahtjevi kod temeljenja i prilagodljivosti skoro svim vrstama terena

mogućnost korištenja raznovrsnog i heterogenog materijala za nasip jeftino i brzo ugrađivanje

o Mane osjetljivost na prelijevanje osjetljivost na procjeđivanje i ispiranje materijala (unutrašnja erozija) za evakuaciju velikih voda potrebni su posebni betonski objekti izvan

brane veliki obim radova (zbog blagih kosina)

18

IZBOR (II)

BETONSKE BRANEo Prednosti

izdržljivost na prelijevanje i procjeđivanje male količine materijala (strm nagib)

o Mane visoki zahtjevi za temeljenje (visoka nosivost tla niska deformabilnost

ne u potresnoj zoni) visoka jedinična cijena (spor rad i brojna radna snaga) za lučne brane provjerava se odnos visine brane i širine doline

U cilju kontrole stanja brane zbog pravovremenog uočavanja promjena na brani i pravovremene provedbe eventualno potrebne sanacije provodi se tehničko promatranje (monitoring oskultacije) brane

vizualna kontrola (uočavanje svih vidljivih promjena naprimjer pukotina oštećenja) praćenje procjeđivanja i pritiska vode mjerenje horizontalnih i vertikalnih pomaka (slijegavanje brane)

61 NASUTE BRANE

Nasipi ndash građevine koje služe za regulaciju vodotoka i omeđivanje korita rijeka vrlo dugi i relativno niski

Nasute brane ndash relativno kratki i visoki nasipi

Nevezani materijal ndash NASUTE BRANEo Zemljane brane od prirodnih materijala

Homogenog presjeka bez zaptivnog tijela Heterogenog presjeka s nepropusnom glinenom vertikalnom ili kosom

jezgrom ili s jezgrom nekog drugog nepropusnog ili slabo propusnog materijala

o Od kamenog nabačaja s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom od prirodnih materijala s vertikalnom dijafragmom od umjetnih ili pripremljenih materijala s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski ljevani

asfalt geomembrane)

19

Vezani materijal ndash BETONSKE BRANE

o AB (rijetko)o od drugih materijala (u prošlosti) drvo metal zidanje

KRITERIJI KOJI MORAJU BITI ZADOVOLJENI

moraju izdržati hidrostatski tlak količina procjedne vode mora biti u prihvatljivim granicama procjeđivanje ne smije izazivati eroziju u brani ili temelju

IZBOR RJEŠENJA OVISI O

1 Sastavu i osobinama temeljnog tla čvrsto i otporno tlo rarr strmiji pokosi primjena materijala velike otpornosti na

smicanje (lomljeni kamen ili krupnozrnati šljunak) tlo veće stlačivosti i male otpornosti na smicanje ndash nagib pokosa mora biti

manji

2 Hidrogeološkim karakteristikama ndash ako su površinske naslage od jače propusnog materijala moguća su rješenja

zamjena propusnog materijala slabije propusnim sprječavanje procjeđivanja injekcijskom zavjesom ili kontinuiranom

dijafragmom nepropusni zastori vertikalne protufiltracijske konstrukcije nizvodna strana ndash drenažni bunari

20

IZBOR LOKACIJE

morfološke karakteristike profila geološke karakteristike ndash rasjedi diskontinuiteti mogućnost evakuacije velikih voda V ndash H odnos Odnos volumena brane i troškova građenja Uvjeti postavljanja hidrotehničkih građevina

Karakteristike

o velika vlastita težina koja se raspodjeljuje na veliku površinu pa se može raditi i na nepovoljnijem terenu (veće stišljivosti i male čvrstoće na smicanje)

o građevina mora biti tehnički sigurna i funkcionalna uz minimalne troškoveo prema materijalu homogene zonirane i nasute s uzvodnim nepropusnim

materijalom

O čemu ovisi odabir tipa brane

Ovisi o tome kakav materijal imamo na raspolaganju i kakve su karakteristike temeljnog tla

1 HOMOGENE ndash primjena samo jednog materijala dovoljno male propusnosti (glinoviti materijali pjeskovito prašinasti glinoviti šljunak) Homogenost nije apsolutna ndash anizotropija se javlja zbog ugradbe u slojevima Ne može se osigurati trajna stabilnost i mora imati drenove Blagi pokosi (nizvodni i uzvodni) jer slabo propusni materijali imaju manju čvrstoću na smicanje

21

DRENOVI

plošni ndash ispod nizvodnog dijela vertikalni ndash u sredini tijela brane spojen s nizvodnom stopom

usklađenost granulometrijskog sastava brane i drenova

Vertikalni dren

2 ZONIRANE ndash od materijala različitih svojstava koji se raspoređuju unutar presjeka tako da se njihove karakteristike optimalno iskoriste (stabilnost i ekonomičnost)

o materijali male propusnosti ndash mala otpornost na smicanjeo materijali veće propusnosti ndash veća otpornost na smicanje

22

Zonirane ndash više materijala koji imaju različite funkcije

o Jezgra ndash osigurava vodonepropusnost ima mali koeficijent provodljivosti i malu otpornost na smicanje ndash glinoviti i prašinasti materijali

o Potporne zone ndash osiguravaju jezgru i podupiru je i s uzvodne strane ndash veća propusnost veća otpornost na smicanje obično manje stlačivosti (zemlja kamen)

Položaj jezgre

- na uzvodnoj strani- u sredini uzvodnog klina- u sredini poprečnog presjeka

BRANE OD KAMENOG NABAČAJA

s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom (glina pjeskovita ilovača prašina) ili dijafragmom (geomembrane)

s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski lijevani asflat geomembrane)

23

Problemi

osjetljivost na uvjete ugradnjeo slabo propusni koherentni materijali mogu se ugrađivati u relativno uskim

granicama oko optimalne vlažnostiglinoviti materijali plusmn 5 oko srednje vrijednostiprašinasti materijali optimalna vlaga

na spoju različitih materijala mijenja se gradijent tlaka i procjedne vode što može izazvati ispiranje čestica sitnijih frakcija (erozija i degradacija jezgre)

- potrebna ugradnja FILTARSKIH SLOJEVA

Jezgra leži na betonskoj galeriji da bi se spriječila postupna erozija jezgre vodom koja bi se mogla zadržavati u temeljnoj stijeni

24

3 NASUTE BRANE S UZVODNIM NEPROPUSNIM MATERIJALOM

Kada u blizini nema materijala za jezgru odgovarajuće nepropusnosti ili su klimatski uvjeti nepovoljni za građenje Nepropusni ekran ndash AB asfalt-beton čelični lim

osjetljivost na termičke promjene osjetljivost zbog različitog ponašanja nasutog materijala i materijala obloge osjetljivost zbog kombinacije prirodnog i umjetnog materijala

MATERIJALI ZA NASIPAVANJE ndash moraju zadovoljiti kontradiktorne zahtjeve

velika otpornost na smicanje relativno mala stišljivost mala propusnost mala osjetljivost na promjene vlažnosti

Prema svojstvima

koherentni materijali (glina niske do visoke plastičnosti s lt 10 pijeska male vodopropusnosti i srednje do velike stišljivosti)

nekoherentni materijali (sitnozrnati s lt 50 pijeska male stišljivosti) krupnozrnati materijali ( gt 50 šljunka mala stišljivost srednja čvrstoća na smicanje)

Prema mogućnostima ugradnje

neosjetljivi na održavanje vlažnosti (glinoviti materijali male do srednje vlažnosti) malo osjetljivi na vlažnost pri ugradnji (šljunak pijesak s malo praha) osjetljivi na vlažnost (prašinasti pijesak prah glinoviti prah) ndash mogućnost ugradbe u

uskom rasponu vlažnosti u odnosu na optimalnu

Prema namjeni

za otješnjenje i onemogućavanje procjeđivanja akumulirane vode za potporne zone ndash gotovo svi drenirajući i filtarski slojevi za zaštitnu oblogu uzvodnog i nizvodnog pokosa ndash otporni na eroziju balastni materijali ndash osiguranje od klizanja

25

Treba osigurati

vodonepropusnost tijela brane vodonepropusnost temeljnog tla

Treba osigurati hidrauličku stabilnost brane

zaštitu od unutrašnje erozije zaštitu od regresivne erozije

UNUTRAŠNJA EROZIJA

unutrašnja erozija je ispiranje čestica sitnijeg materijala kroz šupljine većih čestica bolja zbijenost materijala manja mogućnost ispiranja čestica do unutrašnje erozije dolazi na kontaktu različitih materijala Za spriječavanje

unutrašnje erozije izvode se zaštitni filtarski slojevi Moguće je izvesti jedan ili više filtarskih slojeva

svrha filtarskih slojeva je da spriječe unutrašnju eroziju brane i pronošenje sitnih čestica u smjeru toka vode uključujući i slobodne površine na kojima voda izvire

Filtarski slojevi trebaju ispunjavati slijedeće uvjeteo propusnost filtra treba biti znatno veća od propusnosti materijala iz kojeg

voda dotječeo granulacija filtarskih slojeva mora biti takva da spriječi dalje prenošenje sitnih

čestica kroz filtaro granulacija materijala filtra ne smije dozvoliti unutrašnju eroziju filtra

FILTARSKO PRAVILO (definirano normom HRN)

(F ndash filtarski materijal O ndash bazni materijal tlo jezgra prethodni filtarski sloj)

a) D15F D 15

O gt5 - onemogućava se začepljenje filtra

b) D15F D 85

O le5 - onemogućava se ispiranje

c) D85O otvor ge2 - promjer zrna 2 puta veći od otvora na drenažnoj cijevi

d) Što ujednačeniji granulometrijski sastav ndash da bi se ostvarila željena vodopropusnost i izbjegla segregacija pri čuvanju transportu i ugrađivanju)

26

REGRESIVNA EROZIJA ndash tunnelling efekt

Regresivna erozija nastaje na plohi na kojoj se pojavljuje tečenje vode (vrelna ploha) i tamo gdje su brzine veće od težina čestica pa se one iznose van

Ako je izlazni gradijent i veći od kritičnog izlaznog gradijenta iKR dolazi do regresivne erozije

i= ΔhΔL

iKR=(1minusn ) ∙ρmaterijalaminusρ v

ρv

igtiKR

n ndash mjera šupljikavosti

Izviranje vode na nizvodnoj kosini može se spriječiti ugradnjom drenažnog sustava Drenovi služe za odvodnju procjedne vode pri malom gradijentu i niskom strujnom

tlaku Zaštita nizvodnog pokosa i stabilnosti nožice ndash primjeri drenažnog sustava

27

ELEMENTI OBLIKOVANJA

1 ŠIRINA KRUNE (B)

Nema značajnijeg utjecaja na stabilnost Ovisi o mogućnosti kretanja strojeva uvjetima sigurnosti u potresnim zonama javna

prometnica

B=1+A ∙radicHA=11minus165

2 KOTA KRUNE (KK)

K K=kr+hm+hp+hd+hs+S

Kr ndash najviša radna kota

hm ndash debljina preljevnog mlaza pri dolasku velikih voda

hp ndash visina penjanja valova uz branu zbog pojave plime u smjeru potiskivanja vode vjetrom

hd ndash porast razine zbog plime

hs ndash porast razine zbog pojave polaganih oscilacija

S ndash sigurnosni dodatak (03 ndash 15 m)

hp=0005 ∙V 106 ∙ Le047

V ndash brzina vjetra u kms

V = kVo Vo ndash brzina mjerena na kopnu

k = 103 ndash 13 Le ndash efikasna duljina razmaha vjetra

28

hd=V 2 ∙ L63 ∙D

∙10minus4 ∙ cosα

D ndash dubina (m)

α ndash kut mjerodavnog vjetra prema okomici na smjer brane

Nadvišenje krune brane ndash zbog konsolidacijskog slijeganja nakon izgradnje (hg = εH)

ε = 001

hgge001 ∙H

3 OBLIKOVANJE KOSINA

zadovoljavanje uvjeta stabilnosti pokosa na klizanje vodoravne berme koje prekidaju jednoliki nagib

uzvodni pokos ndash nasute brane mora biti zaštićen od djelovanja valova i atmosferilija (posebno leda) pa se oblaže kamenim nabačajem ili ako se koristi asfalt-betonski cement-betonski ili AB ekran tada on ima i zaštitnu funkciju

nizvodni pokos ndash zemljane nasute brane najčešće se zatravnjuje (nanošenje nanosa) Ako je brana kamena ne treba zatravnjivati iako se ponekad zatravnjuje iz estetskih razloga (uklapanje u okoliš npr brana na Lokvarskom jezeru)

29

PROCJEĐIVANJE

Q ndash protok kroz branu (jezgru) + protok kroz temeljno tlo

Osnovno pravilo ndash treba težiti da se tlakovi u jezgri i procjedna linija u nizvodnom potpornom tijelu snize na minimum a procjedne vode treba skupiti na dnu i preko zaštićenog drenažnog sustava izvesti izvan brane

Vodoravni zastor ndash produljenje puta procjeđivanja

Uspravna nepropusna brana ndash prekida vodoravni tok kroz propusne naslage usmjerava prema dolje ili zatvara presjek do nepropusne zone (čelično žmurje dijafragma od betona i AB)

Vododrživost temeljnog tla

djelomična ili potpuna zamjena tla ndash produženje jezgretemeljnog klina

uzvodni glineni zastor

30

dijafragma

injektiranje

NOSIVOST I STABILNOST

Brana preuzima hidrostatičko opterećenje i sa svojom vlastitom težinom prenosi ga na temeljno tlo

Mehanička stabilnost brana podrazumijeva

stabilnost kosina (pronalaženje kliznih ploha) stabilnost temeljnog tla

Stabilnost zemljanih nasipa (Coulomb 1773g) zakon otpora vezanog zemljišta na smicanje da je jednadžbom

τ=C+σ ∙tgφ

tj kohezijom (c = const) i unutarnjim trenjem (φ) a tgφ ovisi od normalnog naprezanja (σ) u ravnini smicanja

F s=τ f

τ= čvrstoćanasmicanje

otpor nasmicanje

Nasute brane su nepreljevne u smislu prelijevanja preko krune brane Koriste se bočni bunarski preljevi i sl Prelijevanje preko nasute brane pogotovo ukoliko je ono dugotrajno rezultira erodiranjem nizvodnog pokosa što može rezultirati rušenjem brane

Da se spriječi prelijevanje potrebno je dobro

odrediti visinu krune brane odrediti mjerodavni vodni val (velike vode) dimenzionirati izvesti i održavati evakuacijske organe

31

Ako je nizvodno područje naseljeno evakuacijski organi se dimenzioniraju na maksimalnu veliku vodu Ako je nizvodno područje nenaseljeno te pri poplavljivanju ne može doći do ugrožavanja ljudskih života evakuacijski organi se dimenzioniraju na 1000 ndash godišnju veliku vodu

32

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

3 HIDROLOŠKE PODLOGE

zaštita od poplava odnosno pojave velikih voda nakon što ona izađe iz korita očituje se naglim povećanjem protoka ili vodostaja nastalo jakim kišama topljenjem

snijega ili pojavom incidenta ndash rušenje brane ili nasipa odron zemlje zadržavanje velikih voda u AKUMULACIJAMA i RETENCIJAMA

AKUMULACIJE ndash prostori za zadržavanje vode iz kojih se voda ispušta kontrolirano a moguće ju je koristiti za razne svrhe

RETENCIJE ndash prostori za zadržavanje iz kojih se voda ispušta nekontrolirano

PITANJE ODREĐIVANJA VELIKIH VODA

1 usvajanjem najveće zabilježene velike vode ili više njih2 određivanjem velikih voda različitog reda pojave metodama matematičke statistike

na osnovi niza opažanih velikih voda ndash niz mora biti dovoljno dug i pouzdan3 određivanje velikih voda iz oborina na osnovi meteoroloških i hidroloških opažanja

(metode transformacije oborina u otjecanje ndash metoda jediničnog hidrograma i izokrona)

4 upotreba različitih empirijskih izraza

PITANJE MJERODAVNIH VELIKIH VODA

povratno razdoblje analiza rizika odnos veličine šteta i skupoće sustava T = 1000 godina ili više

HIDROLOŠKE I METEOROLOŠKE PODLOGE

1 Opće geografske i hidrografske karakteristike sliva vegetacije oborina temperature zraka vjetar

2 Niz srednjih mjesečnih (tjednih ili dnevnih) protoka za razdoblje 20 ndash 40 godina3 Hidrogrami poplavnih valova različite vjerojatnosti pojave (20 5 2 01

001 maks zabilježena velika voda)

podaci o malim vodama podaci o nanosu (suspendiranom i vučenom) krivulje protoka (učestalosti i trajanja)

7

4 TEMELJENJE HIDROTEHNIČKIH GRAĐEVINA

Najsloženiji i najosjetljiviji problem Nijedna hidrotehnička građevina ne prenosi na temelje sile takvog reda veličine kao velike brane niti prijanja na temelje tako blisko tako da brana i stijena u osloncima čini konstruktivnu cjelinu

Stijena ndash dio zemljine kore podložan fizičkim kemijskim i tektonskim utjecajima

Pogodnost podloge za temeljenje ovisi o tipu brane

OSNOVNE KARAKTERISTIKE TEMELJA

A NOSIVOSTB DEFORMABILNOSTC VODOPROPUSNOSTD STABILNOST

Poseban problem ndash temeljenje u kršu gdje se javlja sufozija rastvaranje (cca 05 mmgod) kolmiranje

A) NOSIVOST

Određuje se

Determinističkim pristupomopterećenje rarr propisi standardi formulerutina rarr nema rizika ako se poštuju propisi

Probabilističkim pristupomzbog neizvjesnosti realnih karakteristika i njihovog stohastičkog karaktera

Deterministički pristup

o Kriterij dopuštenih naprezanja ndash koeficijent sigurnosti kao globalni faktor u odnosu na čvrstoću materijala

σ dop=βkσleσ dop

k ndash koeficijent sigurnostiβ - čvrstoća

8

Probabilistički pristup

o Semiprobabilistička metoda

o Probabilistička metoda- statistički parametri i teorija vjerojatnosti- aritmetička sredina i standardna devijacija- zakon razdiobe (distribucija) koji postoji za svaki statistički skup ndash normalna

distribucija

B) DEFORMABILNOST

Fizičko mehaničke karakteristike(E D β c φ) karakteriziraju stijenski masiv i u funkciji su veličine promatranog prostora i strukturnih formi ndash rasjeda pukotina diskontinuiteta općenito

Presudan je odnos veličine građevine (temelja) i veličine diskontinuiteta

- Različite diskontinuirane sredine

9

gravitacijska betonska brana na ispucaloj stijeni odnos veličine diskontinuiteta i veličine temelja E i D pokazuju svojstva anizotropnosti Deformabilnost temelja ovisi o karakteristikama ispucalosti i slojevitosti

Kriterij ugroženosti betonske brane

Empirijski odnosEbge20 ∙D S Eb ndash modul elastičnosti betona

DS ndash modul deformacije stijene

Deformacijske karakteristike se mogu poboljšati injektiranjem

INJEKTIRANJE ndash postupak ispunjavanja pukotina smjesom na bazi cementao konsolidacijsko injektiranjeo injektiranje za povećanje posmične čvrstoćeo injekcijske zavjese ndash za spriječavanje procjeđivanja vodeo kontaktno ili vezno ndash povezivanje građevine i stijene

Tlak injektiranja p = 2ρgh do 4ρgh ρ ndash gustoća stijenske maseh ndash dubina injektiranja

10

C) VODOPROPUSNOSTa) intergranularnab) pukotinskac) pukotinsko ndash kaverozna (krš)

Tlo se obično predstavlja kao medij s konstantnom vodopropusnošću

Darcyjev zakon ndash brzina strujanja proporcionalna je hidrauličkom gradijentu i koeficijentu hidrauličke provodljivosti

v=k ∙ΔHL

=k ∙ I kminushidraulička provodljivost Iminushidraulički gradijent

k ovisi o - veličini i obliku čestica tla kroz koje protječe voda- porozitetu (n)- o strukturi tla (rasporedu čestica)- o temperaturi vode

11

12

5 SILE

Sile koje djeluju na branu

VANJSKEo Aktivne ndash tlak vode uzgon opterećenje ledom tlo potres valovi stalna i

povremenapokretna opterećenja (kranovi strojevi)

o Pasivne ndash reakcija tla sile trenja sile prionjivosti temeljnog tla i brane

UNUTARNJEo Aktivne ndash vlastita težina brane tlak vode u porama sile uslijed

temperaturnih promjena stezanja betona smrzavanja vode u betonu

o Pasivne ndash uslijed djelovanja naprezanja u brani

13

14

6 BRANE

Brane su hidrotehničke građevine kojima se pregrađuju doline kako bi se voda zadržala radi obrane od poplava (usporavanja vode na željenoj koti) i omogućavanja iskorištenja vode

Podjela prema svrsinamjeni

Akumulacijske (jednonamjenske višenamjenske) Retencijske (privremeno zadržavanje vode) Zahvat vode (vodoopskrba navodnjavanje) Kanaliziranje rijeka (brane u nizu ndash veće dubineplovnost) Zadržavanje nanosa ndash pragovi

Jalovišta (nema u RH) Nasipi (obrana od poplava)

Podjela prema materijalu

BETONSKE BRANEo gravitacijske

o olakšane gravitacijske višelučne

raščlanjene (s kontraforima pločama i sl)

15

o lučne

o pokretne rječne

o prednapergnute

Gravitacijske brane ndash masivne pretežno betonske brane koje se utjecaju vanjskih sila suprostavljaju isključivo svojom težinom

Olakšane gravitacijske brane ndash kontrolne galerije (šupljine) smanjuju vlastitu težinu ali imaju znatno širu osnovicu (gt067 H) čime se osigurava stabilnost

Raščlanjene brane s kontraforima ndash olakšana brana sa širom osnovicom bolje podnosi potres i manji uzgon

Lučne brane ndash brane čiji je horizontalni presjek krivolinijskog oblika (oblik luka) a opterećenje se prenosi na bokove

Višelučne brane ndash više lukova

16

Podjela prema veličini

velike brane H ge15m

5leH le15mako je V ak=3 ∙106m3

male brane ndash sve ostale

Podjela prema načinu prenošenja opterećenja

gravitacijske (a) lučne (b) kontraforne (c) kombinirane

Podjela prema utjecaju na rijeku

dolinska pregrada brana

Podjela prema evakuaciji vode

preljevne ndash preljev na tijelu brane nepreljevne ndash preljev izvan tijela brane

ELEMENTI BRANE

evakuacijski organ (preljev) slapište (bučnica) temeljni ispust

(pražnjenje vode i ispiranje nanosa) zahvat temelj kruna brane drenažni sustav injekcijska zavjesa nanos akumulacijski bazen komandna zgrada objekti za skretanje vodnog toka (za vrijeme građenja)

17

Treba se definirati

o os braneo građevinska visina brane (od temelja do krune)o hidraulička visina (razlika kote maksimalnog uspora i kote dna rijeke prije

izgradnje)o dužinu brane u kruni

Faktori koji utječu na izbor tipa brane

IZBOR (I)

NASUTE BRANEo Prednosti

minimalni zahtjevi kod temeljenja i prilagodljivosti skoro svim vrstama terena

mogućnost korištenja raznovrsnog i heterogenog materijala za nasip jeftino i brzo ugrađivanje

o Mane osjetljivost na prelijevanje osjetljivost na procjeđivanje i ispiranje materijala (unutrašnja erozija) za evakuaciju velikih voda potrebni su posebni betonski objekti izvan

brane veliki obim radova (zbog blagih kosina)

18

IZBOR (II)

BETONSKE BRANEo Prednosti

izdržljivost na prelijevanje i procjeđivanje male količine materijala (strm nagib)

o Mane visoki zahtjevi za temeljenje (visoka nosivost tla niska deformabilnost

ne u potresnoj zoni) visoka jedinična cijena (spor rad i brojna radna snaga) za lučne brane provjerava se odnos visine brane i širine doline

U cilju kontrole stanja brane zbog pravovremenog uočavanja promjena na brani i pravovremene provedbe eventualno potrebne sanacije provodi se tehničko promatranje (monitoring oskultacije) brane

vizualna kontrola (uočavanje svih vidljivih promjena naprimjer pukotina oštećenja) praćenje procjeđivanja i pritiska vode mjerenje horizontalnih i vertikalnih pomaka (slijegavanje brane)

61 NASUTE BRANE

Nasipi ndash građevine koje služe za regulaciju vodotoka i omeđivanje korita rijeka vrlo dugi i relativno niski

Nasute brane ndash relativno kratki i visoki nasipi

Nevezani materijal ndash NASUTE BRANEo Zemljane brane od prirodnih materijala

Homogenog presjeka bez zaptivnog tijela Heterogenog presjeka s nepropusnom glinenom vertikalnom ili kosom

jezgrom ili s jezgrom nekog drugog nepropusnog ili slabo propusnog materijala

o Od kamenog nabačaja s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom od prirodnih materijala s vertikalnom dijafragmom od umjetnih ili pripremljenih materijala s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski ljevani

asfalt geomembrane)

19

Vezani materijal ndash BETONSKE BRANE

o AB (rijetko)o od drugih materijala (u prošlosti) drvo metal zidanje

KRITERIJI KOJI MORAJU BITI ZADOVOLJENI

moraju izdržati hidrostatski tlak količina procjedne vode mora biti u prihvatljivim granicama procjeđivanje ne smije izazivati eroziju u brani ili temelju

IZBOR RJEŠENJA OVISI O

1 Sastavu i osobinama temeljnog tla čvrsto i otporno tlo rarr strmiji pokosi primjena materijala velike otpornosti na

smicanje (lomljeni kamen ili krupnozrnati šljunak) tlo veće stlačivosti i male otpornosti na smicanje ndash nagib pokosa mora biti

manji

2 Hidrogeološkim karakteristikama ndash ako su površinske naslage od jače propusnog materijala moguća su rješenja

zamjena propusnog materijala slabije propusnim sprječavanje procjeđivanja injekcijskom zavjesom ili kontinuiranom

dijafragmom nepropusni zastori vertikalne protufiltracijske konstrukcije nizvodna strana ndash drenažni bunari

20

IZBOR LOKACIJE

morfološke karakteristike profila geološke karakteristike ndash rasjedi diskontinuiteti mogućnost evakuacije velikih voda V ndash H odnos Odnos volumena brane i troškova građenja Uvjeti postavljanja hidrotehničkih građevina

Karakteristike

o velika vlastita težina koja se raspodjeljuje na veliku površinu pa se može raditi i na nepovoljnijem terenu (veće stišljivosti i male čvrstoće na smicanje)

o građevina mora biti tehnički sigurna i funkcionalna uz minimalne troškoveo prema materijalu homogene zonirane i nasute s uzvodnim nepropusnim

materijalom

O čemu ovisi odabir tipa brane

Ovisi o tome kakav materijal imamo na raspolaganju i kakve su karakteristike temeljnog tla

1 HOMOGENE ndash primjena samo jednog materijala dovoljno male propusnosti (glinoviti materijali pjeskovito prašinasti glinoviti šljunak) Homogenost nije apsolutna ndash anizotropija se javlja zbog ugradbe u slojevima Ne može se osigurati trajna stabilnost i mora imati drenove Blagi pokosi (nizvodni i uzvodni) jer slabo propusni materijali imaju manju čvrstoću na smicanje

21

DRENOVI

plošni ndash ispod nizvodnog dijela vertikalni ndash u sredini tijela brane spojen s nizvodnom stopom

usklađenost granulometrijskog sastava brane i drenova

Vertikalni dren

2 ZONIRANE ndash od materijala različitih svojstava koji se raspoređuju unutar presjeka tako da se njihove karakteristike optimalno iskoriste (stabilnost i ekonomičnost)

o materijali male propusnosti ndash mala otpornost na smicanjeo materijali veće propusnosti ndash veća otpornost na smicanje

22

Zonirane ndash više materijala koji imaju različite funkcije

o Jezgra ndash osigurava vodonepropusnost ima mali koeficijent provodljivosti i malu otpornost na smicanje ndash glinoviti i prašinasti materijali

o Potporne zone ndash osiguravaju jezgru i podupiru je i s uzvodne strane ndash veća propusnost veća otpornost na smicanje obično manje stlačivosti (zemlja kamen)

Položaj jezgre

- na uzvodnoj strani- u sredini uzvodnog klina- u sredini poprečnog presjeka

BRANE OD KAMENOG NABAČAJA

s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom (glina pjeskovita ilovača prašina) ili dijafragmom (geomembrane)

s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski lijevani asflat geomembrane)

23

Problemi

osjetljivost na uvjete ugradnjeo slabo propusni koherentni materijali mogu se ugrađivati u relativno uskim

granicama oko optimalne vlažnostiglinoviti materijali plusmn 5 oko srednje vrijednostiprašinasti materijali optimalna vlaga

na spoju različitih materijala mijenja se gradijent tlaka i procjedne vode što može izazvati ispiranje čestica sitnijih frakcija (erozija i degradacija jezgre)

- potrebna ugradnja FILTARSKIH SLOJEVA

Jezgra leži na betonskoj galeriji da bi se spriječila postupna erozija jezgre vodom koja bi se mogla zadržavati u temeljnoj stijeni

24

3 NASUTE BRANE S UZVODNIM NEPROPUSNIM MATERIJALOM

Kada u blizini nema materijala za jezgru odgovarajuće nepropusnosti ili su klimatski uvjeti nepovoljni za građenje Nepropusni ekran ndash AB asfalt-beton čelični lim

osjetljivost na termičke promjene osjetljivost zbog različitog ponašanja nasutog materijala i materijala obloge osjetljivost zbog kombinacije prirodnog i umjetnog materijala

MATERIJALI ZA NASIPAVANJE ndash moraju zadovoljiti kontradiktorne zahtjeve

velika otpornost na smicanje relativno mala stišljivost mala propusnost mala osjetljivost na promjene vlažnosti

Prema svojstvima

koherentni materijali (glina niske do visoke plastičnosti s lt 10 pijeska male vodopropusnosti i srednje do velike stišljivosti)

nekoherentni materijali (sitnozrnati s lt 50 pijeska male stišljivosti) krupnozrnati materijali ( gt 50 šljunka mala stišljivost srednja čvrstoća na smicanje)

Prema mogućnostima ugradnje

neosjetljivi na održavanje vlažnosti (glinoviti materijali male do srednje vlažnosti) malo osjetljivi na vlažnost pri ugradnji (šljunak pijesak s malo praha) osjetljivi na vlažnost (prašinasti pijesak prah glinoviti prah) ndash mogućnost ugradbe u

uskom rasponu vlažnosti u odnosu na optimalnu

Prema namjeni

za otješnjenje i onemogućavanje procjeđivanja akumulirane vode za potporne zone ndash gotovo svi drenirajući i filtarski slojevi za zaštitnu oblogu uzvodnog i nizvodnog pokosa ndash otporni na eroziju balastni materijali ndash osiguranje od klizanja

25

Treba osigurati

vodonepropusnost tijela brane vodonepropusnost temeljnog tla

Treba osigurati hidrauličku stabilnost brane

zaštitu od unutrašnje erozije zaštitu od regresivne erozije

UNUTRAŠNJA EROZIJA

unutrašnja erozija je ispiranje čestica sitnijeg materijala kroz šupljine većih čestica bolja zbijenost materijala manja mogućnost ispiranja čestica do unutrašnje erozije dolazi na kontaktu različitih materijala Za spriječavanje

unutrašnje erozije izvode se zaštitni filtarski slojevi Moguće je izvesti jedan ili više filtarskih slojeva

svrha filtarskih slojeva je da spriječe unutrašnju eroziju brane i pronošenje sitnih čestica u smjeru toka vode uključujući i slobodne površine na kojima voda izvire

Filtarski slojevi trebaju ispunjavati slijedeće uvjeteo propusnost filtra treba biti znatno veća od propusnosti materijala iz kojeg

voda dotječeo granulacija filtarskih slojeva mora biti takva da spriječi dalje prenošenje sitnih

čestica kroz filtaro granulacija materijala filtra ne smije dozvoliti unutrašnju eroziju filtra

FILTARSKO PRAVILO (definirano normom HRN)

(F ndash filtarski materijal O ndash bazni materijal tlo jezgra prethodni filtarski sloj)

a) D15F D 15

O gt5 - onemogućava se začepljenje filtra

b) D15F D 85

O le5 - onemogućava se ispiranje

c) D85O otvor ge2 - promjer zrna 2 puta veći od otvora na drenažnoj cijevi

d) Što ujednačeniji granulometrijski sastav ndash da bi se ostvarila željena vodopropusnost i izbjegla segregacija pri čuvanju transportu i ugrađivanju)

26

REGRESIVNA EROZIJA ndash tunnelling efekt

Regresivna erozija nastaje na plohi na kojoj se pojavljuje tečenje vode (vrelna ploha) i tamo gdje su brzine veće od težina čestica pa se one iznose van

Ako je izlazni gradijent i veći od kritičnog izlaznog gradijenta iKR dolazi do regresivne erozije

i= ΔhΔL

iKR=(1minusn ) ∙ρmaterijalaminusρ v

ρv

igtiKR

n ndash mjera šupljikavosti

Izviranje vode na nizvodnoj kosini može se spriječiti ugradnjom drenažnog sustava Drenovi služe za odvodnju procjedne vode pri malom gradijentu i niskom strujnom

tlaku Zaštita nizvodnog pokosa i stabilnosti nožice ndash primjeri drenažnog sustava

27

ELEMENTI OBLIKOVANJA

1 ŠIRINA KRUNE (B)

Nema značajnijeg utjecaja na stabilnost Ovisi o mogućnosti kretanja strojeva uvjetima sigurnosti u potresnim zonama javna

prometnica

B=1+A ∙radicHA=11minus165

2 KOTA KRUNE (KK)

K K=kr+hm+hp+hd+hs+S

Kr ndash najviša radna kota

hm ndash debljina preljevnog mlaza pri dolasku velikih voda

hp ndash visina penjanja valova uz branu zbog pojave plime u smjeru potiskivanja vode vjetrom

hd ndash porast razine zbog plime

hs ndash porast razine zbog pojave polaganih oscilacija

S ndash sigurnosni dodatak (03 ndash 15 m)

hp=0005 ∙V 106 ∙ Le047

V ndash brzina vjetra u kms

V = kVo Vo ndash brzina mjerena na kopnu

k = 103 ndash 13 Le ndash efikasna duljina razmaha vjetra

28

hd=V 2 ∙ L63 ∙D

∙10minus4 ∙ cosα

D ndash dubina (m)

α ndash kut mjerodavnog vjetra prema okomici na smjer brane

Nadvišenje krune brane ndash zbog konsolidacijskog slijeganja nakon izgradnje (hg = εH)

ε = 001

hgge001 ∙H

3 OBLIKOVANJE KOSINA

zadovoljavanje uvjeta stabilnosti pokosa na klizanje vodoravne berme koje prekidaju jednoliki nagib

uzvodni pokos ndash nasute brane mora biti zaštićen od djelovanja valova i atmosferilija (posebno leda) pa se oblaže kamenim nabačajem ili ako se koristi asfalt-betonski cement-betonski ili AB ekran tada on ima i zaštitnu funkciju

nizvodni pokos ndash zemljane nasute brane najčešće se zatravnjuje (nanošenje nanosa) Ako je brana kamena ne treba zatravnjivati iako se ponekad zatravnjuje iz estetskih razloga (uklapanje u okoliš npr brana na Lokvarskom jezeru)

29

PROCJEĐIVANJE

Q ndash protok kroz branu (jezgru) + protok kroz temeljno tlo

Osnovno pravilo ndash treba težiti da se tlakovi u jezgri i procjedna linija u nizvodnom potpornom tijelu snize na minimum a procjedne vode treba skupiti na dnu i preko zaštićenog drenažnog sustava izvesti izvan brane

Vodoravni zastor ndash produljenje puta procjeđivanja

Uspravna nepropusna brana ndash prekida vodoravni tok kroz propusne naslage usmjerava prema dolje ili zatvara presjek do nepropusne zone (čelično žmurje dijafragma od betona i AB)

Vododrživost temeljnog tla

djelomična ili potpuna zamjena tla ndash produženje jezgretemeljnog klina

uzvodni glineni zastor

30

dijafragma

injektiranje

NOSIVOST I STABILNOST

Brana preuzima hidrostatičko opterećenje i sa svojom vlastitom težinom prenosi ga na temeljno tlo

Mehanička stabilnost brana podrazumijeva

stabilnost kosina (pronalaženje kliznih ploha) stabilnost temeljnog tla

Stabilnost zemljanih nasipa (Coulomb 1773g) zakon otpora vezanog zemljišta na smicanje da je jednadžbom

τ=C+σ ∙tgφ

tj kohezijom (c = const) i unutarnjim trenjem (φ) a tgφ ovisi od normalnog naprezanja (σ) u ravnini smicanja

F s=τ f

τ= čvrstoćanasmicanje

otpor nasmicanje

Nasute brane su nepreljevne u smislu prelijevanja preko krune brane Koriste se bočni bunarski preljevi i sl Prelijevanje preko nasute brane pogotovo ukoliko je ono dugotrajno rezultira erodiranjem nizvodnog pokosa što može rezultirati rušenjem brane

Da se spriječi prelijevanje potrebno je dobro

odrediti visinu krune brane odrediti mjerodavni vodni val (velike vode) dimenzionirati izvesti i održavati evakuacijske organe

31

Ako je nizvodno područje naseljeno evakuacijski organi se dimenzioniraju na maksimalnu veliku vodu Ako je nizvodno područje nenaseljeno te pri poplavljivanju ne može doći do ugrožavanja ljudskih života evakuacijski organi se dimenzioniraju na 1000 ndash godišnju veliku vodu

32

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

4 TEMELJENJE HIDROTEHNIČKIH GRAĐEVINA

Najsloženiji i najosjetljiviji problem Nijedna hidrotehnička građevina ne prenosi na temelje sile takvog reda veličine kao velike brane niti prijanja na temelje tako blisko tako da brana i stijena u osloncima čini konstruktivnu cjelinu

Stijena ndash dio zemljine kore podložan fizičkim kemijskim i tektonskim utjecajima

Pogodnost podloge za temeljenje ovisi o tipu brane

OSNOVNE KARAKTERISTIKE TEMELJA

A NOSIVOSTB DEFORMABILNOSTC VODOPROPUSNOSTD STABILNOST

Poseban problem ndash temeljenje u kršu gdje se javlja sufozija rastvaranje (cca 05 mmgod) kolmiranje

A) NOSIVOST

Određuje se

Determinističkim pristupomopterećenje rarr propisi standardi formulerutina rarr nema rizika ako se poštuju propisi

Probabilističkim pristupomzbog neizvjesnosti realnih karakteristika i njihovog stohastičkog karaktera

Deterministički pristup

o Kriterij dopuštenih naprezanja ndash koeficijent sigurnosti kao globalni faktor u odnosu na čvrstoću materijala

σ dop=βkσleσ dop

k ndash koeficijent sigurnostiβ - čvrstoća

8

Probabilistički pristup

o Semiprobabilistička metoda

o Probabilistička metoda- statistički parametri i teorija vjerojatnosti- aritmetička sredina i standardna devijacija- zakon razdiobe (distribucija) koji postoji za svaki statistički skup ndash normalna

distribucija

B) DEFORMABILNOST

Fizičko mehaničke karakteristike(E D β c φ) karakteriziraju stijenski masiv i u funkciji su veličine promatranog prostora i strukturnih formi ndash rasjeda pukotina diskontinuiteta općenito

Presudan je odnos veličine građevine (temelja) i veličine diskontinuiteta

- Različite diskontinuirane sredine

9

gravitacijska betonska brana na ispucaloj stijeni odnos veličine diskontinuiteta i veličine temelja E i D pokazuju svojstva anizotropnosti Deformabilnost temelja ovisi o karakteristikama ispucalosti i slojevitosti

Kriterij ugroženosti betonske brane

Empirijski odnosEbge20 ∙D S Eb ndash modul elastičnosti betona

DS ndash modul deformacije stijene

Deformacijske karakteristike se mogu poboljšati injektiranjem

INJEKTIRANJE ndash postupak ispunjavanja pukotina smjesom na bazi cementao konsolidacijsko injektiranjeo injektiranje za povećanje posmične čvrstoćeo injekcijske zavjese ndash za spriječavanje procjeđivanja vodeo kontaktno ili vezno ndash povezivanje građevine i stijene

Tlak injektiranja p = 2ρgh do 4ρgh ρ ndash gustoća stijenske maseh ndash dubina injektiranja

10

C) VODOPROPUSNOSTa) intergranularnab) pukotinskac) pukotinsko ndash kaverozna (krš)

Tlo se obično predstavlja kao medij s konstantnom vodopropusnošću

Darcyjev zakon ndash brzina strujanja proporcionalna je hidrauličkom gradijentu i koeficijentu hidrauličke provodljivosti

v=k ∙ΔHL

=k ∙ I kminushidraulička provodljivost Iminushidraulički gradijent

k ovisi o - veličini i obliku čestica tla kroz koje protječe voda- porozitetu (n)- o strukturi tla (rasporedu čestica)- o temperaturi vode

11

12

5 SILE

Sile koje djeluju na branu

VANJSKEo Aktivne ndash tlak vode uzgon opterećenje ledom tlo potres valovi stalna i

povremenapokretna opterećenja (kranovi strojevi)

o Pasivne ndash reakcija tla sile trenja sile prionjivosti temeljnog tla i brane

UNUTARNJEo Aktivne ndash vlastita težina brane tlak vode u porama sile uslijed

temperaturnih promjena stezanja betona smrzavanja vode u betonu

o Pasivne ndash uslijed djelovanja naprezanja u brani

13

14

6 BRANE

Brane su hidrotehničke građevine kojima se pregrađuju doline kako bi se voda zadržala radi obrane od poplava (usporavanja vode na željenoj koti) i omogućavanja iskorištenja vode

Podjela prema svrsinamjeni

Akumulacijske (jednonamjenske višenamjenske) Retencijske (privremeno zadržavanje vode) Zahvat vode (vodoopskrba navodnjavanje) Kanaliziranje rijeka (brane u nizu ndash veće dubineplovnost) Zadržavanje nanosa ndash pragovi

Jalovišta (nema u RH) Nasipi (obrana od poplava)

Podjela prema materijalu

BETONSKE BRANEo gravitacijske

o olakšane gravitacijske višelučne

raščlanjene (s kontraforima pločama i sl)

15

o lučne

o pokretne rječne

o prednapergnute

Gravitacijske brane ndash masivne pretežno betonske brane koje se utjecaju vanjskih sila suprostavljaju isključivo svojom težinom

Olakšane gravitacijske brane ndash kontrolne galerije (šupljine) smanjuju vlastitu težinu ali imaju znatno širu osnovicu (gt067 H) čime se osigurava stabilnost

Raščlanjene brane s kontraforima ndash olakšana brana sa širom osnovicom bolje podnosi potres i manji uzgon

Lučne brane ndash brane čiji je horizontalni presjek krivolinijskog oblika (oblik luka) a opterećenje se prenosi na bokove

Višelučne brane ndash više lukova

16

Podjela prema veličini

velike brane H ge15m

5leH le15mako je V ak=3 ∙106m3

male brane ndash sve ostale

Podjela prema načinu prenošenja opterećenja

gravitacijske (a) lučne (b) kontraforne (c) kombinirane

Podjela prema utjecaju na rijeku

dolinska pregrada brana

Podjela prema evakuaciji vode

preljevne ndash preljev na tijelu brane nepreljevne ndash preljev izvan tijela brane

ELEMENTI BRANE

evakuacijski organ (preljev) slapište (bučnica) temeljni ispust

(pražnjenje vode i ispiranje nanosa) zahvat temelj kruna brane drenažni sustav injekcijska zavjesa nanos akumulacijski bazen komandna zgrada objekti za skretanje vodnog toka (za vrijeme građenja)

17

Treba se definirati

o os braneo građevinska visina brane (od temelja do krune)o hidraulička visina (razlika kote maksimalnog uspora i kote dna rijeke prije

izgradnje)o dužinu brane u kruni

Faktori koji utječu na izbor tipa brane

IZBOR (I)

NASUTE BRANEo Prednosti

minimalni zahtjevi kod temeljenja i prilagodljivosti skoro svim vrstama terena

mogućnost korištenja raznovrsnog i heterogenog materijala za nasip jeftino i brzo ugrađivanje

o Mane osjetljivost na prelijevanje osjetljivost na procjeđivanje i ispiranje materijala (unutrašnja erozija) za evakuaciju velikih voda potrebni su posebni betonski objekti izvan

brane veliki obim radova (zbog blagih kosina)

18

IZBOR (II)

BETONSKE BRANEo Prednosti

izdržljivost na prelijevanje i procjeđivanje male količine materijala (strm nagib)

o Mane visoki zahtjevi za temeljenje (visoka nosivost tla niska deformabilnost

ne u potresnoj zoni) visoka jedinična cijena (spor rad i brojna radna snaga) za lučne brane provjerava se odnos visine brane i širine doline

U cilju kontrole stanja brane zbog pravovremenog uočavanja promjena na brani i pravovremene provedbe eventualno potrebne sanacije provodi se tehničko promatranje (monitoring oskultacije) brane

vizualna kontrola (uočavanje svih vidljivih promjena naprimjer pukotina oštećenja) praćenje procjeđivanja i pritiska vode mjerenje horizontalnih i vertikalnih pomaka (slijegavanje brane)

61 NASUTE BRANE

Nasipi ndash građevine koje služe za regulaciju vodotoka i omeđivanje korita rijeka vrlo dugi i relativno niski

Nasute brane ndash relativno kratki i visoki nasipi

Nevezani materijal ndash NASUTE BRANEo Zemljane brane od prirodnih materijala

Homogenog presjeka bez zaptivnog tijela Heterogenog presjeka s nepropusnom glinenom vertikalnom ili kosom

jezgrom ili s jezgrom nekog drugog nepropusnog ili slabo propusnog materijala

o Od kamenog nabačaja s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom od prirodnih materijala s vertikalnom dijafragmom od umjetnih ili pripremljenih materijala s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski ljevani

asfalt geomembrane)

19

Vezani materijal ndash BETONSKE BRANE

o AB (rijetko)o od drugih materijala (u prošlosti) drvo metal zidanje

KRITERIJI KOJI MORAJU BITI ZADOVOLJENI

moraju izdržati hidrostatski tlak količina procjedne vode mora biti u prihvatljivim granicama procjeđivanje ne smije izazivati eroziju u brani ili temelju

IZBOR RJEŠENJA OVISI O

1 Sastavu i osobinama temeljnog tla čvrsto i otporno tlo rarr strmiji pokosi primjena materijala velike otpornosti na

smicanje (lomljeni kamen ili krupnozrnati šljunak) tlo veće stlačivosti i male otpornosti na smicanje ndash nagib pokosa mora biti

manji

2 Hidrogeološkim karakteristikama ndash ako su površinske naslage od jače propusnog materijala moguća su rješenja

zamjena propusnog materijala slabije propusnim sprječavanje procjeđivanja injekcijskom zavjesom ili kontinuiranom

dijafragmom nepropusni zastori vertikalne protufiltracijske konstrukcije nizvodna strana ndash drenažni bunari

20

IZBOR LOKACIJE

morfološke karakteristike profila geološke karakteristike ndash rasjedi diskontinuiteti mogućnost evakuacije velikih voda V ndash H odnos Odnos volumena brane i troškova građenja Uvjeti postavljanja hidrotehničkih građevina

Karakteristike

o velika vlastita težina koja se raspodjeljuje na veliku površinu pa se može raditi i na nepovoljnijem terenu (veće stišljivosti i male čvrstoće na smicanje)

o građevina mora biti tehnički sigurna i funkcionalna uz minimalne troškoveo prema materijalu homogene zonirane i nasute s uzvodnim nepropusnim

materijalom

O čemu ovisi odabir tipa brane

Ovisi o tome kakav materijal imamo na raspolaganju i kakve su karakteristike temeljnog tla

1 HOMOGENE ndash primjena samo jednog materijala dovoljno male propusnosti (glinoviti materijali pjeskovito prašinasti glinoviti šljunak) Homogenost nije apsolutna ndash anizotropija se javlja zbog ugradbe u slojevima Ne može se osigurati trajna stabilnost i mora imati drenove Blagi pokosi (nizvodni i uzvodni) jer slabo propusni materijali imaju manju čvrstoću na smicanje

21

DRENOVI

plošni ndash ispod nizvodnog dijela vertikalni ndash u sredini tijela brane spojen s nizvodnom stopom

usklađenost granulometrijskog sastava brane i drenova

Vertikalni dren

2 ZONIRANE ndash od materijala različitih svojstava koji se raspoređuju unutar presjeka tako da se njihove karakteristike optimalno iskoriste (stabilnost i ekonomičnost)

o materijali male propusnosti ndash mala otpornost na smicanjeo materijali veće propusnosti ndash veća otpornost na smicanje

22

Zonirane ndash više materijala koji imaju različite funkcije

o Jezgra ndash osigurava vodonepropusnost ima mali koeficijent provodljivosti i malu otpornost na smicanje ndash glinoviti i prašinasti materijali

o Potporne zone ndash osiguravaju jezgru i podupiru je i s uzvodne strane ndash veća propusnost veća otpornost na smicanje obično manje stlačivosti (zemlja kamen)

Položaj jezgre

- na uzvodnoj strani- u sredini uzvodnog klina- u sredini poprečnog presjeka

BRANE OD KAMENOG NABAČAJA

s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom (glina pjeskovita ilovača prašina) ili dijafragmom (geomembrane)

s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski lijevani asflat geomembrane)

23

Problemi

osjetljivost na uvjete ugradnjeo slabo propusni koherentni materijali mogu se ugrađivati u relativno uskim

granicama oko optimalne vlažnostiglinoviti materijali plusmn 5 oko srednje vrijednostiprašinasti materijali optimalna vlaga

na spoju različitih materijala mijenja se gradijent tlaka i procjedne vode što može izazvati ispiranje čestica sitnijih frakcija (erozija i degradacija jezgre)

- potrebna ugradnja FILTARSKIH SLOJEVA

Jezgra leži na betonskoj galeriji da bi se spriječila postupna erozija jezgre vodom koja bi se mogla zadržavati u temeljnoj stijeni

24

3 NASUTE BRANE S UZVODNIM NEPROPUSNIM MATERIJALOM

Kada u blizini nema materijala za jezgru odgovarajuće nepropusnosti ili su klimatski uvjeti nepovoljni za građenje Nepropusni ekran ndash AB asfalt-beton čelični lim

osjetljivost na termičke promjene osjetljivost zbog različitog ponašanja nasutog materijala i materijala obloge osjetljivost zbog kombinacije prirodnog i umjetnog materijala

MATERIJALI ZA NASIPAVANJE ndash moraju zadovoljiti kontradiktorne zahtjeve

velika otpornost na smicanje relativno mala stišljivost mala propusnost mala osjetljivost na promjene vlažnosti

Prema svojstvima

koherentni materijali (glina niske do visoke plastičnosti s lt 10 pijeska male vodopropusnosti i srednje do velike stišljivosti)

nekoherentni materijali (sitnozrnati s lt 50 pijeska male stišljivosti) krupnozrnati materijali ( gt 50 šljunka mala stišljivost srednja čvrstoća na smicanje)

Prema mogućnostima ugradnje

neosjetljivi na održavanje vlažnosti (glinoviti materijali male do srednje vlažnosti) malo osjetljivi na vlažnost pri ugradnji (šljunak pijesak s malo praha) osjetljivi na vlažnost (prašinasti pijesak prah glinoviti prah) ndash mogućnost ugradbe u

uskom rasponu vlažnosti u odnosu na optimalnu

Prema namjeni

za otješnjenje i onemogućavanje procjeđivanja akumulirane vode za potporne zone ndash gotovo svi drenirajući i filtarski slojevi za zaštitnu oblogu uzvodnog i nizvodnog pokosa ndash otporni na eroziju balastni materijali ndash osiguranje od klizanja

25

Treba osigurati

vodonepropusnost tijela brane vodonepropusnost temeljnog tla

Treba osigurati hidrauličku stabilnost brane

zaštitu od unutrašnje erozije zaštitu od regresivne erozije

UNUTRAŠNJA EROZIJA

unutrašnja erozija je ispiranje čestica sitnijeg materijala kroz šupljine većih čestica bolja zbijenost materijala manja mogućnost ispiranja čestica do unutrašnje erozije dolazi na kontaktu različitih materijala Za spriječavanje

unutrašnje erozije izvode se zaštitni filtarski slojevi Moguće je izvesti jedan ili više filtarskih slojeva

svrha filtarskih slojeva je da spriječe unutrašnju eroziju brane i pronošenje sitnih čestica u smjeru toka vode uključujući i slobodne površine na kojima voda izvire

Filtarski slojevi trebaju ispunjavati slijedeće uvjeteo propusnost filtra treba biti znatno veća od propusnosti materijala iz kojeg

voda dotječeo granulacija filtarskih slojeva mora biti takva da spriječi dalje prenošenje sitnih

čestica kroz filtaro granulacija materijala filtra ne smije dozvoliti unutrašnju eroziju filtra

FILTARSKO PRAVILO (definirano normom HRN)

(F ndash filtarski materijal O ndash bazni materijal tlo jezgra prethodni filtarski sloj)

a) D15F D 15

O gt5 - onemogućava se začepljenje filtra

b) D15F D 85

O le5 - onemogućava se ispiranje

c) D85O otvor ge2 - promjer zrna 2 puta veći od otvora na drenažnoj cijevi

d) Što ujednačeniji granulometrijski sastav ndash da bi se ostvarila željena vodopropusnost i izbjegla segregacija pri čuvanju transportu i ugrađivanju)

26

REGRESIVNA EROZIJA ndash tunnelling efekt

Regresivna erozija nastaje na plohi na kojoj se pojavljuje tečenje vode (vrelna ploha) i tamo gdje su brzine veće od težina čestica pa se one iznose van

Ako je izlazni gradijent i veći od kritičnog izlaznog gradijenta iKR dolazi do regresivne erozije

i= ΔhΔL

iKR=(1minusn ) ∙ρmaterijalaminusρ v

ρv

igtiKR

n ndash mjera šupljikavosti

Izviranje vode na nizvodnoj kosini može se spriječiti ugradnjom drenažnog sustava Drenovi služe za odvodnju procjedne vode pri malom gradijentu i niskom strujnom

tlaku Zaštita nizvodnog pokosa i stabilnosti nožice ndash primjeri drenažnog sustava

27

ELEMENTI OBLIKOVANJA

1 ŠIRINA KRUNE (B)

Nema značajnijeg utjecaja na stabilnost Ovisi o mogućnosti kretanja strojeva uvjetima sigurnosti u potresnim zonama javna

prometnica

B=1+A ∙radicHA=11minus165

2 KOTA KRUNE (KK)

K K=kr+hm+hp+hd+hs+S

Kr ndash najviša radna kota

hm ndash debljina preljevnog mlaza pri dolasku velikih voda

hp ndash visina penjanja valova uz branu zbog pojave plime u smjeru potiskivanja vode vjetrom

hd ndash porast razine zbog plime

hs ndash porast razine zbog pojave polaganih oscilacija

S ndash sigurnosni dodatak (03 ndash 15 m)

hp=0005 ∙V 106 ∙ Le047

V ndash brzina vjetra u kms

V = kVo Vo ndash brzina mjerena na kopnu

k = 103 ndash 13 Le ndash efikasna duljina razmaha vjetra

28

hd=V 2 ∙ L63 ∙D

∙10minus4 ∙ cosα

D ndash dubina (m)

α ndash kut mjerodavnog vjetra prema okomici na smjer brane

Nadvišenje krune brane ndash zbog konsolidacijskog slijeganja nakon izgradnje (hg = εH)

ε = 001

hgge001 ∙H

3 OBLIKOVANJE KOSINA

zadovoljavanje uvjeta stabilnosti pokosa na klizanje vodoravne berme koje prekidaju jednoliki nagib

uzvodni pokos ndash nasute brane mora biti zaštićen od djelovanja valova i atmosferilija (posebno leda) pa se oblaže kamenim nabačajem ili ako se koristi asfalt-betonski cement-betonski ili AB ekran tada on ima i zaštitnu funkciju

nizvodni pokos ndash zemljane nasute brane najčešće se zatravnjuje (nanošenje nanosa) Ako je brana kamena ne treba zatravnjivati iako se ponekad zatravnjuje iz estetskih razloga (uklapanje u okoliš npr brana na Lokvarskom jezeru)

29

PROCJEĐIVANJE

Q ndash protok kroz branu (jezgru) + protok kroz temeljno tlo

Osnovno pravilo ndash treba težiti da se tlakovi u jezgri i procjedna linija u nizvodnom potpornom tijelu snize na minimum a procjedne vode treba skupiti na dnu i preko zaštićenog drenažnog sustava izvesti izvan brane

Vodoravni zastor ndash produljenje puta procjeđivanja

Uspravna nepropusna brana ndash prekida vodoravni tok kroz propusne naslage usmjerava prema dolje ili zatvara presjek do nepropusne zone (čelično žmurje dijafragma od betona i AB)

Vododrživost temeljnog tla

djelomična ili potpuna zamjena tla ndash produženje jezgretemeljnog klina

uzvodni glineni zastor

30

dijafragma

injektiranje

NOSIVOST I STABILNOST

Brana preuzima hidrostatičko opterećenje i sa svojom vlastitom težinom prenosi ga na temeljno tlo

Mehanička stabilnost brana podrazumijeva

stabilnost kosina (pronalaženje kliznih ploha) stabilnost temeljnog tla

Stabilnost zemljanih nasipa (Coulomb 1773g) zakon otpora vezanog zemljišta na smicanje da je jednadžbom

τ=C+σ ∙tgφ

tj kohezijom (c = const) i unutarnjim trenjem (φ) a tgφ ovisi od normalnog naprezanja (σ) u ravnini smicanja

F s=τ f

τ= čvrstoćanasmicanje

otpor nasmicanje

Nasute brane su nepreljevne u smislu prelijevanja preko krune brane Koriste se bočni bunarski preljevi i sl Prelijevanje preko nasute brane pogotovo ukoliko je ono dugotrajno rezultira erodiranjem nizvodnog pokosa što može rezultirati rušenjem brane

Da se spriječi prelijevanje potrebno je dobro

odrediti visinu krune brane odrediti mjerodavni vodni val (velike vode) dimenzionirati izvesti i održavati evakuacijske organe

31

Ako je nizvodno područje naseljeno evakuacijski organi se dimenzioniraju na maksimalnu veliku vodu Ako je nizvodno područje nenaseljeno te pri poplavljivanju ne može doći do ugrožavanja ljudskih života evakuacijski organi se dimenzioniraju na 1000 ndash godišnju veliku vodu

32

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

Probabilistički pristup

o Semiprobabilistička metoda

o Probabilistička metoda- statistički parametri i teorija vjerojatnosti- aritmetička sredina i standardna devijacija- zakon razdiobe (distribucija) koji postoji za svaki statistički skup ndash normalna

distribucija

B) DEFORMABILNOST

Fizičko mehaničke karakteristike(E D β c φ) karakteriziraju stijenski masiv i u funkciji su veličine promatranog prostora i strukturnih formi ndash rasjeda pukotina diskontinuiteta općenito

Presudan je odnos veličine građevine (temelja) i veličine diskontinuiteta

- Različite diskontinuirane sredine

9

gravitacijska betonska brana na ispucaloj stijeni odnos veličine diskontinuiteta i veličine temelja E i D pokazuju svojstva anizotropnosti Deformabilnost temelja ovisi o karakteristikama ispucalosti i slojevitosti

Kriterij ugroženosti betonske brane

Empirijski odnosEbge20 ∙D S Eb ndash modul elastičnosti betona

DS ndash modul deformacije stijene

Deformacijske karakteristike se mogu poboljšati injektiranjem

INJEKTIRANJE ndash postupak ispunjavanja pukotina smjesom na bazi cementao konsolidacijsko injektiranjeo injektiranje za povećanje posmične čvrstoćeo injekcijske zavjese ndash za spriječavanje procjeđivanja vodeo kontaktno ili vezno ndash povezivanje građevine i stijene

Tlak injektiranja p = 2ρgh do 4ρgh ρ ndash gustoća stijenske maseh ndash dubina injektiranja

10

C) VODOPROPUSNOSTa) intergranularnab) pukotinskac) pukotinsko ndash kaverozna (krš)

Tlo se obično predstavlja kao medij s konstantnom vodopropusnošću

Darcyjev zakon ndash brzina strujanja proporcionalna je hidrauličkom gradijentu i koeficijentu hidrauličke provodljivosti

v=k ∙ΔHL

=k ∙ I kminushidraulička provodljivost Iminushidraulički gradijent

k ovisi o - veličini i obliku čestica tla kroz koje protječe voda- porozitetu (n)- o strukturi tla (rasporedu čestica)- o temperaturi vode

11

12

5 SILE

Sile koje djeluju na branu

VANJSKEo Aktivne ndash tlak vode uzgon opterećenje ledom tlo potres valovi stalna i

povremenapokretna opterećenja (kranovi strojevi)

o Pasivne ndash reakcija tla sile trenja sile prionjivosti temeljnog tla i brane

UNUTARNJEo Aktivne ndash vlastita težina brane tlak vode u porama sile uslijed

temperaturnih promjena stezanja betona smrzavanja vode u betonu

o Pasivne ndash uslijed djelovanja naprezanja u brani

13

14

6 BRANE

Brane su hidrotehničke građevine kojima se pregrađuju doline kako bi se voda zadržala radi obrane od poplava (usporavanja vode na željenoj koti) i omogućavanja iskorištenja vode

Podjela prema svrsinamjeni

Akumulacijske (jednonamjenske višenamjenske) Retencijske (privremeno zadržavanje vode) Zahvat vode (vodoopskrba navodnjavanje) Kanaliziranje rijeka (brane u nizu ndash veće dubineplovnost) Zadržavanje nanosa ndash pragovi

Jalovišta (nema u RH) Nasipi (obrana od poplava)

Podjela prema materijalu

BETONSKE BRANEo gravitacijske

o olakšane gravitacijske višelučne

raščlanjene (s kontraforima pločama i sl)

15

o lučne

o pokretne rječne

o prednapergnute

Gravitacijske brane ndash masivne pretežno betonske brane koje se utjecaju vanjskih sila suprostavljaju isključivo svojom težinom

Olakšane gravitacijske brane ndash kontrolne galerije (šupljine) smanjuju vlastitu težinu ali imaju znatno širu osnovicu (gt067 H) čime se osigurava stabilnost

Raščlanjene brane s kontraforima ndash olakšana brana sa širom osnovicom bolje podnosi potres i manji uzgon

Lučne brane ndash brane čiji je horizontalni presjek krivolinijskog oblika (oblik luka) a opterećenje se prenosi na bokove

Višelučne brane ndash više lukova

16

Podjela prema veličini

velike brane H ge15m

5leH le15mako je V ak=3 ∙106m3

male brane ndash sve ostale

Podjela prema načinu prenošenja opterećenja

gravitacijske (a) lučne (b) kontraforne (c) kombinirane

Podjela prema utjecaju na rijeku

dolinska pregrada brana

Podjela prema evakuaciji vode

preljevne ndash preljev na tijelu brane nepreljevne ndash preljev izvan tijela brane

ELEMENTI BRANE

evakuacijski organ (preljev) slapište (bučnica) temeljni ispust

(pražnjenje vode i ispiranje nanosa) zahvat temelj kruna brane drenažni sustav injekcijska zavjesa nanos akumulacijski bazen komandna zgrada objekti za skretanje vodnog toka (za vrijeme građenja)

17

Treba se definirati

o os braneo građevinska visina brane (od temelja do krune)o hidraulička visina (razlika kote maksimalnog uspora i kote dna rijeke prije

izgradnje)o dužinu brane u kruni

Faktori koji utječu na izbor tipa brane

IZBOR (I)

NASUTE BRANEo Prednosti

minimalni zahtjevi kod temeljenja i prilagodljivosti skoro svim vrstama terena

mogućnost korištenja raznovrsnog i heterogenog materijala za nasip jeftino i brzo ugrađivanje

o Mane osjetljivost na prelijevanje osjetljivost na procjeđivanje i ispiranje materijala (unutrašnja erozija) za evakuaciju velikih voda potrebni su posebni betonski objekti izvan

brane veliki obim radova (zbog blagih kosina)

18

IZBOR (II)

BETONSKE BRANEo Prednosti

izdržljivost na prelijevanje i procjeđivanje male količine materijala (strm nagib)

o Mane visoki zahtjevi za temeljenje (visoka nosivost tla niska deformabilnost

ne u potresnoj zoni) visoka jedinična cijena (spor rad i brojna radna snaga) za lučne brane provjerava se odnos visine brane i širine doline

U cilju kontrole stanja brane zbog pravovremenog uočavanja promjena na brani i pravovremene provedbe eventualno potrebne sanacije provodi se tehničko promatranje (monitoring oskultacije) brane

vizualna kontrola (uočavanje svih vidljivih promjena naprimjer pukotina oštećenja) praćenje procjeđivanja i pritiska vode mjerenje horizontalnih i vertikalnih pomaka (slijegavanje brane)

61 NASUTE BRANE

Nasipi ndash građevine koje služe za regulaciju vodotoka i omeđivanje korita rijeka vrlo dugi i relativno niski

Nasute brane ndash relativno kratki i visoki nasipi

Nevezani materijal ndash NASUTE BRANEo Zemljane brane od prirodnih materijala

Homogenog presjeka bez zaptivnog tijela Heterogenog presjeka s nepropusnom glinenom vertikalnom ili kosom

jezgrom ili s jezgrom nekog drugog nepropusnog ili slabo propusnog materijala

o Od kamenog nabačaja s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom od prirodnih materijala s vertikalnom dijafragmom od umjetnih ili pripremljenih materijala s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski ljevani

asfalt geomembrane)

19

Vezani materijal ndash BETONSKE BRANE

o AB (rijetko)o od drugih materijala (u prošlosti) drvo metal zidanje

KRITERIJI KOJI MORAJU BITI ZADOVOLJENI

moraju izdržati hidrostatski tlak količina procjedne vode mora biti u prihvatljivim granicama procjeđivanje ne smije izazivati eroziju u brani ili temelju

IZBOR RJEŠENJA OVISI O

1 Sastavu i osobinama temeljnog tla čvrsto i otporno tlo rarr strmiji pokosi primjena materijala velike otpornosti na

smicanje (lomljeni kamen ili krupnozrnati šljunak) tlo veće stlačivosti i male otpornosti na smicanje ndash nagib pokosa mora biti

manji

2 Hidrogeološkim karakteristikama ndash ako su površinske naslage od jače propusnog materijala moguća su rješenja

zamjena propusnog materijala slabije propusnim sprječavanje procjeđivanja injekcijskom zavjesom ili kontinuiranom

dijafragmom nepropusni zastori vertikalne protufiltracijske konstrukcije nizvodna strana ndash drenažni bunari

20

IZBOR LOKACIJE

morfološke karakteristike profila geološke karakteristike ndash rasjedi diskontinuiteti mogućnost evakuacije velikih voda V ndash H odnos Odnos volumena brane i troškova građenja Uvjeti postavljanja hidrotehničkih građevina

Karakteristike

o velika vlastita težina koja se raspodjeljuje na veliku površinu pa se može raditi i na nepovoljnijem terenu (veće stišljivosti i male čvrstoće na smicanje)

o građevina mora biti tehnički sigurna i funkcionalna uz minimalne troškoveo prema materijalu homogene zonirane i nasute s uzvodnim nepropusnim

materijalom

O čemu ovisi odabir tipa brane

Ovisi o tome kakav materijal imamo na raspolaganju i kakve su karakteristike temeljnog tla

1 HOMOGENE ndash primjena samo jednog materijala dovoljno male propusnosti (glinoviti materijali pjeskovito prašinasti glinoviti šljunak) Homogenost nije apsolutna ndash anizotropija se javlja zbog ugradbe u slojevima Ne može se osigurati trajna stabilnost i mora imati drenove Blagi pokosi (nizvodni i uzvodni) jer slabo propusni materijali imaju manju čvrstoću na smicanje

21

DRENOVI

plošni ndash ispod nizvodnog dijela vertikalni ndash u sredini tijela brane spojen s nizvodnom stopom

usklađenost granulometrijskog sastava brane i drenova

Vertikalni dren

2 ZONIRANE ndash od materijala različitih svojstava koji se raspoređuju unutar presjeka tako da se njihove karakteristike optimalno iskoriste (stabilnost i ekonomičnost)

o materijali male propusnosti ndash mala otpornost na smicanjeo materijali veće propusnosti ndash veća otpornost na smicanje

22

Zonirane ndash više materijala koji imaju različite funkcije

o Jezgra ndash osigurava vodonepropusnost ima mali koeficijent provodljivosti i malu otpornost na smicanje ndash glinoviti i prašinasti materijali

o Potporne zone ndash osiguravaju jezgru i podupiru je i s uzvodne strane ndash veća propusnost veća otpornost na smicanje obično manje stlačivosti (zemlja kamen)

Položaj jezgre

- na uzvodnoj strani- u sredini uzvodnog klina- u sredini poprečnog presjeka

BRANE OD KAMENOG NABAČAJA

s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom (glina pjeskovita ilovača prašina) ili dijafragmom (geomembrane)

s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski lijevani asflat geomembrane)

23

Problemi

osjetljivost na uvjete ugradnjeo slabo propusni koherentni materijali mogu se ugrađivati u relativno uskim

granicama oko optimalne vlažnostiglinoviti materijali plusmn 5 oko srednje vrijednostiprašinasti materijali optimalna vlaga

na spoju različitih materijala mijenja se gradijent tlaka i procjedne vode što može izazvati ispiranje čestica sitnijih frakcija (erozija i degradacija jezgre)

- potrebna ugradnja FILTARSKIH SLOJEVA

Jezgra leži na betonskoj galeriji da bi se spriječila postupna erozija jezgre vodom koja bi se mogla zadržavati u temeljnoj stijeni

24

3 NASUTE BRANE S UZVODNIM NEPROPUSNIM MATERIJALOM

Kada u blizini nema materijala za jezgru odgovarajuće nepropusnosti ili su klimatski uvjeti nepovoljni za građenje Nepropusni ekran ndash AB asfalt-beton čelični lim

osjetljivost na termičke promjene osjetljivost zbog različitog ponašanja nasutog materijala i materijala obloge osjetljivost zbog kombinacije prirodnog i umjetnog materijala

MATERIJALI ZA NASIPAVANJE ndash moraju zadovoljiti kontradiktorne zahtjeve

velika otpornost na smicanje relativno mala stišljivost mala propusnost mala osjetljivost na promjene vlažnosti

Prema svojstvima

koherentni materijali (glina niske do visoke plastičnosti s lt 10 pijeska male vodopropusnosti i srednje do velike stišljivosti)

nekoherentni materijali (sitnozrnati s lt 50 pijeska male stišljivosti) krupnozrnati materijali ( gt 50 šljunka mala stišljivost srednja čvrstoća na smicanje)

Prema mogućnostima ugradnje

neosjetljivi na održavanje vlažnosti (glinoviti materijali male do srednje vlažnosti) malo osjetljivi na vlažnost pri ugradnji (šljunak pijesak s malo praha) osjetljivi na vlažnost (prašinasti pijesak prah glinoviti prah) ndash mogućnost ugradbe u

uskom rasponu vlažnosti u odnosu na optimalnu

Prema namjeni

za otješnjenje i onemogućavanje procjeđivanja akumulirane vode za potporne zone ndash gotovo svi drenirajući i filtarski slojevi za zaštitnu oblogu uzvodnog i nizvodnog pokosa ndash otporni na eroziju balastni materijali ndash osiguranje od klizanja

25

Treba osigurati

vodonepropusnost tijela brane vodonepropusnost temeljnog tla

Treba osigurati hidrauličku stabilnost brane

zaštitu od unutrašnje erozije zaštitu od regresivne erozije

UNUTRAŠNJA EROZIJA

unutrašnja erozija je ispiranje čestica sitnijeg materijala kroz šupljine većih čestica bolja zbijenost materijala manja mogućnost ispiranja čestica do unutrašnje erozije dolazi na kontaktu različitih materijala Za spriječavanje

unutrašnje erozije izvode se zaštitni filtarski slojevi Moguće je izvesti jedan ili više filtarskih slojeva

svrha filtarskih slojeva je da spriječe unutrašnju eroziju brane i pronošenje sitnih čestica u smjeru toka vode uključujući i slobodne površine na kojima voda izvire

Filtarski slojevi trebaju ispunjavati slijedeće uvjeteo propusnost filtra treba biti znatno veća od propusnosti materijala iz kojeg

voda dotječeo granulacija filtarskih slojeva mora biti takva da spriječi dalje prenošenje sitnih

čestica kroz filtaro granulacija materijala filtra ne smije dozvoliti unutrašnju eroziju filtra

FILTARSKO PRAVILO (definirano normom HRN)

(F ndash filtarski materijal O ndash bazni materijal tlo jezgra prethodni filtarski sloj)

a) D15F D 15

O gt5 - onemogućava se začepljenje filtra

b) D15F D 85

O le5 - onemogućava se ispiranje

c) D85O otvor ge2 - promjer zrna 2 puta veći od otvora na drenažnoj cijevi

d) Što ujednačeniji granulometrijski sastav ndash da bi se ostvarila željena vodopropusnost i izbjegla segregacija pri čuvanju transportu i ugrađivanju)

26

REGRESIVNA EROZIJA ndash tunnelling efekt

Regresivna erozija nastaje na plohi na kojoj se pojavljuje tečenje vode (vrelna ploha) i tamo gdje su brzine veće od težina čestica pa se one iznose van

Ako je izlazni gradijent i veći od kritičnog izlaznog gradijenta iKR dolazi do regresivne erozije

i= ΔhΔL

iKR=(1minusn ) ∙ρmaterijalaminusρ v

ρv

igtiKR

n ndash mjera šupljikavosti

Izviranje vode na nizvodnoj kosini može se spriječiti ugradnjom drenažnog sustava Drenovi služe za odvodnju procjedne vode pri malom gradijentu i niskom strujnom

tlaku Zaštita nizvodnog pokosa i stabilnosti nožice ndash primjeri drenažnog sustava

27

ELEMENTI OBLIKOVANJA

1 ŠIRINA KRUNE (B)

Nema značajnijeg utjecaja na stabilnost Ovisi o mogućnosti kretanja strojeva uvjetima sigurnosti u potresnim zonama javna

prometnica

B=1+A ∙radicHA=11minus165

2 KOTA KRUNE (KK)

K K=kr+hm+hp+hd+hs+S

Kr ndash najviša radna kota

hm ndash debljina preljevnog mlaza pri dolasku velikih voda

hp ndash visina penjanja valova uz branu zbog pojave plime u smjeru potiskivanja vode vjetrom

hd ndash porast razine zbog plime

hs ndash porast razine zbog pojave polaganih oscilacija

S ndash sigurnosni dodatak (03 ndash 15 m)

hp=0005 ∙V 106 ∙ Le047

V ndash brzina vjetra u kms

V = kVo Vo ndash brzina mjerena na kopnu

k = 103 ndash 13 Le ndash efikasna duljina razmaha vjetra

28

hd=V 2 ∙ L63 ∙D

∙10minus4 ∙ cosα

D ndash dubina (m)

α ndash kut mjerodavnog vjetra prema okomici na smjer brane

Nadvišenje krune brane ndash zbog konsolidacijskog slijeganja nakon izgradnje (hg = εH)

ε = 001

hgge001 ∙H

3 OBLIKOVANJE KOSINA

zadovoljavanje uvjeta stabilnosti pokosa na klizanje vodoravne berme koje prekidaju jednoliki nagib

uzvodni pokos ndash nasute brane mora biti zaštićen od djelovanja valova i atmosferilija (posebno leda) pa se oblaže kamenim nabačajem ili ako se koristi asfalt-betonski cement-betonski ili AB ekran tada on ima i zaštitnu funkciju

nizvodni pokos ndash zemljane nasute brane najčešće se zatravnjuje (nanošenje nanosa) Ako je brana kamena ne treba zatravnjivati iako se ponekad zatravnjuje iz estetskih razloga (uklapanje u okoliš npr brana na Lokvarskom jezeru)

29

PROCJEĐIVANJE

Q ndash protok kroz branu (jezgru) + protok kroz temeljno tlo

Osnovno pravilo ndash treba težiti da se tlakovi u jezgri i procjedna linija u nizvodnom potpornom tijelu snize na minimum a procjedne vode treba skupiti na dnu i preko zaštićenog drenažnog sustava izvesti izvan brane

Vodoravni zastor ndash produljenje puta procjeđivanja

Uspravna nepropusna brana ndash prekida vodoravni tok kroz propusne naslage usmjerava prema dolje ili zatvara presjek do nepropusne zone (čelično žmurje dijafragma od betona i AB)

Vododrživost temeljnog tla

djelomična ili potpuna zamjena tla ndash produženje jezgretemeljnog klina

uzvodni glineni zastor

30

dijafragma

injektiranje

NOSIVOST I STABILNOST

Brana preuzima hidrostatičko opterećenje i sa svojom vlastitom težinom prenosi ga na temeljno tlo

Mehanička stabilnost brana podrazumijeva

stabilnost kosina (pronalaženje kliznih ploha) stabilnost temeljnog tla

Stabilnost zemljanih nasipa (Coulomb 1773g) zakon otpora vezanog zemljišta na smicanje da je jednadžbom

τ=C+σ ∙tgφ

tj kohezijom (c = const) i unutarnjim trenjem (φ) a tgφ ovisi od normalnog naprezanja (σ) u ravnini smicanja

F s=τ f

τ= čvrstoćanasmicanje

otpor nasmicanje

Nasute brane su nepreljevne u smislu prelijevanja preko krune brane Koriste se bočni bunarski preljevi i sl Prelijevanje preko nasute brane pogotovo ukoliko je ono dugotrajno rezultira erodiranjem nizvodnog pokosa što može rezultirati rušenjem brane

Da se spriječi prelijevanje potrebno je dobro

odrediti visinu krune brane odrediti mjerodavni vodni val (velike vode) dimenzionirati izvesti i održavati evakuacijske organe

31

Ako je nizvodno područje naseljeno evakuacijski organi se dimenzioniraju na maksimalnu veliku vodu Ako je nizvodno područje nenaseljeno te pri poplavljivanju ne može doći do ugrožavanja ljudskih života evakuacijski organi se dimenzioniraju na 1000 ndash godišnju veliku vodu

32

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

gravitacijska betonska brana na ispucaloj stijeni odnos veličine diskontinuiteta i veličine temelja E i D pokazuju svojstva anizotropnosti Deformabilnost temelja ovisi o karakteristikama ispucalosti i slojevitosti

Kriterij ugroženosti betonske brane

Empirijski odnosEbge20 ∙D S Eb ndash modul elastičnosti betona

DS ndash modul deformacije stijene

Deformacijske karakteristike se mogu poboljšati injektiranjem

INJEKTIRANJE ndash postupak ispunjavanja pukotina smjesom na bazi cementao konsolidacijsko injektiranjeo injektiranje za povećanje posmične čvrstoćeo injekcijske zavjese ndash za spriječavanje procjeđivanja vodeo kontaktno ili vezno ndash povezivanje građevine i stijene

Tlak injektiranja p = 2ρgh do 4ρgh ρ ndash gustoća stijenske maseh ndash dubina injektiranja

10

C) VODOPROPUSNOSTa) intergranularnab) pukotinskac) pukotinsko ndash kaverozna (krš)

Tlo se obično predstavlja kao medij s konstantnom vodopropusnošću

Darcyjev zakon ndash brzina strujanja proporcionalna je hidrauličkom gradijentu i koeficijentu hidrauličke provodljivosti

v=k ∙ΔHL

=k ∙ I kminushidraulička provodljivost Iminushidraulički gradijent

k ovisi o - veličini i obliku čestica tla kroz koje protječe voda- porozitetu (n)- o strukturi tla (rasporedu čestica)- o temperaturi vode

11

12

5 SILE

Sile koje djeluju na branu

VANJSKEo Aktivne ndash tlak vode uzgon opterećenje ledom tlo potres valovi stalna i

povremenapokretna opterećenja (kranovi strojevi)

o Pasivne ndash reakcija tla sile trenja sile prionjivosti temeljnog tla i brane

UNUTARNJEo Aktivne ndash vlastita težina brane tlak vode u porama sile uslijed

temperaturnih promjena stezanja betona smrzavanja vode u betonu

o Pasivne ndash uslijed djelovanja naprezanja u brani

13

14

6 BRANE

Brane su hidrotehničke građevine kojima se pregrađuju doline kako bi se voda zadržala radi obrane od poplava (usporavanja vode na željenoj koti) i omogućavanja iskorištenja vode

Podjela prema svrsinamjeni

Akumulacijske (jednonamjenske višenamjenske) Retencijske (privremeno zadržavanje vode) Zahvat vode (vodoopskrba navodnjavanje) Kanaliziranje rijeka (brane u nizu ndash veće dubineplovnost) Zadržavanje nanosa ndash pragovi

Jalovišta (nema u RH) Nasipi (obrana od poplava)

Podjela prema materijalu

BETONSKE BRANEo gravitacijske

o olakšane gravitacijske višelučne

raščlanjene (s kontraforima pločama i sl)

15

o lučne

o pokretne rječne

o prednapergnute

Gravitacijske brane ndash masivne pretežno betonske brane koje se utjecaju vanjskih sila suprostavljaju isključivo svojom težinom

Olakšane gravitacijske brane ndash kontrolne galerije (šupljine) smanjuju vlastitu težinu ali imaju znatno širu osnovicu (gt067 H) čime se osigurava stabilnost

Raščlanjene brane s kontraforima ndash olakšana brana sa širom osnovicom bolje podnosi potres i manji uzgon

Lučne brane ndash brane čiji je horizontalni presjek krivolinijskog oblika (oblik luka) a opterećenje se prenosi na bokove

Višelučne brane ndash više lukova

16

Podjela prema veličini

velike brane H ge15m

5leH le15mako je V ak=3 ∙106m3

male brane ndash sve ostale

Podjela prema načinu prenošenja opterećenja

gravitacijske (a) lučne (b) kontraforne (c) kombinirane

Podjela prema utjecaju na rijeku

dolinska pregrada brana

Podjela prema evakuaciji vode

preljevne ndash preljev na tijelu brane nepreljevne ndash preljev izvan tijela brane

ELEMENTI BRANE

evakuacijski organ (preljev) slapište (bučnica) temeljni ispust

(pražnjenje vode i ispiranje nanosa) zahvat temelj kruna brane drenažni sustav injekcijska zavjesa nanos akumulacijski bazen komandna zgrada objekti za skretanje vodnog toka (za vrijeme građenja)

17

Treba se definirati

o os braneo građevinska visina brane (od temelja do krune)o hidraulička visina (razlika kote maksimalnog uspora i kote dna rijeke prije

izgradnje)o dužinu brane u kruni

Faktori koji utječu na izbor tipa brane

IZBOR (I)

NASUTE BRANEo Prednosti

minimalni zahtjevi kod temeljenja i prilagodljivosti skoro svim vrstama terena

mogućnost korištenja raznovrsnog i heterogenog materijala za nasip jeftino i brzo ugrađivanje

o Mane osjetljivost na prelijevanje osjetljivost na procjeđivanje i ispiranje materijala (unutrašnja erozija) za evakuaciju velikih voda potrebni su posebni betonski objekti izvan

brane veliki obim radova (zbog blagih kosina)

18

IZBOR (II)

BETONSKE BRANEo Prednosti

izdržljivost na prelijevanje i procjeđivanje male količine materijala (strm nagib)

o Mane visoki zahtjevi za temeljenje (visoka nosivost tla niska deformabilnost

ne u potresnoj zoni) visoka jedinična cijena (spor rad i brojna radna snaga) za lučne brane provjerava se odnos visine brane i širine doline

U cilju kontrole stanja brane zbog pravovremenog uočavanja promjena na brani i pravovremene provedbe eventualno potrebne sanacije provodi se tehničko promatranje (monitoring oskultacije) brane

vizualna kontrola (uočavanje svih vidljivih promjena naprimjer pukotina oštećenja) praćenje procjeđivanja i pritiska vode mjerenje horizontalnih i vertikalnih pomaka (slijegavanje brane)

61 NASUTE BRANE

Nasipi ndash građevine koje služe za regulaciju vodotoka i omeđivanje korita rijeka vrlo dugi i relativno niski

Nasute brane ndash relativno kratki i visoki nasipi

Nevezani materijal ndash NASUTE BRANEo Zemljane brane od prirodnih materijala

Homogenog presjeka bez zaptivnog tijela Heterogenog presjeka s nepropusnom glinenom vertikalnom ili kosom

jezgrom ili s jezgrom nekog drugog nepropusnog ili slabo propusnog materijala

o Od kamenog nabačaja s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom od prirodnih materijala s vertikalnom dijafragmom od umjetnih ili pripremljenih materijala s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski ljevani

asfalt geomembrane)

19

Vezani materijal ndash BETONSKE BRANE

o AB (rijetko)o od drugih materijala (u prošlosti) drvo metal zidanje

KRITERIJI KOJI MORAJU BITI ZADOVOLJENI

moraju izdržati hidrostatski tlak količina procjedne vode mora biti u prihvatljivim granicama procjeđivanje ne smije izazivati eroziju u brani ili temelju

IZBOR RJEŠENJA OVISI O

1 Sastavu i osobinama temeljnog tla čvrsto i otporno tlo rarr strmiji pokosi primjena materijala velike otpornosti na

smicanje (lomljeni kamen ili krupnozrnati šljunak) tlo veće stlačivosti i male otpornosti na smicanje ndash nagib pokosa mora biti

manji

2 Hidrogeološkim karakteristikama ndash ako su površinske naslage od jače propusnog materijala moguća su rješenja

zamjena propusnog materijala slabije propusnim sprječavanje procjeđivanja injekcijskom zavjesom ili kontinuiranom

dijafragmom nepropusni zastori vertikalne protufiltracijske konstrukcije nizvodna strana ndash drenažni bunari

20

IZBOR LOKACIJE

morfološke karakteristike profila geološke karakteristike ndash rasjedi diskontinuiteti mogućnost evakuacije velikih voda V ndash H odnos Odnos volumena brane i troškova građenja Uvjeti postavljanja hidrotehničkih građevina

Karakteristike

o velika vlastita težina koja se raspodjeljuje na veliku površinu pa se može raditi i na nepovoljnijem terenu (veće stišljivosti i male čvrstoće na smicanje)

o građevina mora biti tehnički sigurna i funkcionalna uz minimalne troškoveo prema materijalu homogene zonirane i nasute s uzvodnim nepropusnim

materijalom

O čemu ovisi odabir tipa brane

Ovisi o tome kakav materijal imamo na raspolaganju i kakve su karakteristike temeljnog tla

1 HOMOGENE ndash primjena samo jednog materijala dovoljno male propusnosti (glinoviti materijali pjeskovito prašinasti glinoviti šljunak) Homogenost nije apsolutna ndash anizotropija se javlja zbog ugradbe u slojevima Ne može se osigurati trajna stabilnost i mora imati drenove Blagi pokosi (nizvodni i uzvodni) jer slabo propusni materijali imaju manju čvrstoću na smicanje

21

DRENOVI

plošni ndash ispod nizvodnog dijela vertikalni ndash u sredini tijela brane spojen s nizvodnom stopom

usklađenost granulometrijskog sastava brane i drenova

Vertikalni dren

2 ZONIRANE ndash od materijala različitih svojstava koji se raspoređuju unutar presjeka tako da se njihove karakteristike optimalno iskoriste (stabilnost i ekonomičnost)

o materijali male propusnosti ndash mala otpornost na smicanjeo materijali veće propusnosti ndash veća otpornost na smicanje

22

Zonirane ndash više materijala koji imaju različite funkcije

o Jezgra ndash osigurava vodonepropusnost ima mali koeficijent provodljivosti i malu otpornost na smicanje ndash glinoviti i prašinasti materijali

o Potporne zone ndash osiguravaju jezgru i podupiru je i s uzvodne strane ndash veća propusnost veća otpornost na smicanje obično manje stlačivosti (zemlja kamen)

Položaj jezgre

- na uzvodnoj strani- u sredini uzvodnog klina- u sredini poprečnog presjeka

BRANE OD KAMENOG NABAČAJA

s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom (glina pjeskovita ilovača prašina) ili dijafragmom (geomembrane)

s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski lijevani asflat geomembrane)

23

Problemi

osjetljivost na uvjete ugradnjeo slabo propusni koherentni materijali mogu se ugrađivati u relativno uskim

granicama oko optimalne vlažnostiglinoviti materijali plusmn 5 oko srednje vrijednostiprašinasti materijali optimalna vlaga

na spoju različitih materijala mijenja se gradijent tlaka i procjedne vode što može izazvati ispiranje čestica sitnijih frakcija (erozija i degradacija jezgre)

- potrebna ugradnja FILTARSKIH SLOJEVA

Jezgra leži na betonskoj galeriji da bi se spriječila postupna erozija jezgre vodom koja bi se mogla zadržavati u temeljnoj stijeni

24

3 NASUTE BRANE S UZVODNIM NEPROPUSNIM MATERIJALOM

Kada u blizini nema materijala za jezgru odgovarajuće nepropusnosti ili su klimatski uvjeti nepovoljni za građenje Nepropusni ekran ndash AB asfalt-beton čelični lim

osjetljivost na termičke promjene osjetljivost zbog različitog ponašanja nasutog materijala i materijala obloge osjetljivost zbog kombinacije prirodnog i umjetnog materijala

MATERIJALI ZA NASIPAVANJE ndash moraju zadovoljiti kontradiktorne zahtjeve

velika otpornost na smicanje relativno mala stišljivost mala propusnost mala osjetljivost na promjene vlažnosti

Prema svojstvima

koherentni materijali (glina niske do visoke plastičnosti s lt 10 pijeska male vodopropusnosti i srednje do velike stišljivosti)

nekoherentni materijali (sitnozrnati s lt 50 pijeska male stišljivosti) krupnozrnati materijali ( gt 50 šljunka mala stišljivost srednja čvrstoća na smicanje)

Prema mogućnostima ugradnje

neosjetljivi na održavanje vlažnosti (glinoviti materijali male do srednje vlažnosti) malo osjetljivi na vlažnost pri ugradnji (šljunak pijesak s malo praha) osjetljivi na vlažnost (prašinasti pijesak prah glinoviti prah) ndash mogućnost ugradbe u

uskom rasponu vlažnosti u odnosu na optimalnu

Prema namjeni

za otješnjenje i onemogućavanje procjeđivanja akumulirane vode za potporne zone ndash gotovo svi drenirajući i filtarski slojevi za zaštitnu oblogu uzvodnog i nizvodnog pokosa ndash otporni na eroziju balastni materijali ndash osiguranje od klizanja

25

Treba osigurati

vodonepropusnost tijela brane vodonepropusnost temeljnog tla

Treba osigurati hidrauličku stabilnost brane

zaštitu od unutrašnje erozije zaštitu od regresivne erozije

UNUTRAŠNJA EROZIJA

unutrašnja erozija je ispiranje čestica sitnijeg materijala kroz šupljine većih čestica bolja zbijenost materijala manja mogućnost ispiranja čestica do unutrašnje erozije dolazi na kontaktu različitih materijala Za spriječavanje

unutrašnje erozije izvode se zaštitni filtarski slojevi Moguće je izvesti jedan ili više filtarskih slojeva

svrha filtarskih slojeva je da spriječe unutrašnju eroziju brane i pronošenje sitnih čestica u smjeru toka vode uključujući i slobodne površine na kojima voda izvire

Filtarski slojevi trebaju ispunjavati slijedeće uvjeteo propusnost filtra treba biti znatno veća od propusnosti materijala iz kojeg

voda dotječeo granulacija filtarskih slojeva mora biti takva da spriječi dalje prenošenje sitnih

čestica kroz filtaro granulacija materijala filtra ne smije dozvoliti unutrašnju eroziju filtra

FILTARSKO PRAVILO (definirano normom HRN)

(F ndash filtarski materijal O ndash bazni materijal tlo jezgra prethodni filtarski sloj)

a) D15F D 15

O gt5 - onemogućava se začepljenje filtra

b) D15F D 85

O le5 - onemogućava se ispiranje

c) D85O otvor ge2 - promjer zrna 2 puta veći od otvora na drenažnoj cijevi

d) Što ujednačeniji granulometrijski sastav ndash da bi se ostvarila željena vodopropusnost i izbjegla segregacija pri čuvanju transportu i ugrađivanju)

26

REGRESIVNA EROZIJA ndash tunnelling efekt

Regresivna erozija nastaje na plohi na kojoj se pojavljuje tečenje vode (vrelna ploha) i tamo gdje su brzine veće od težina čestica pa se one iznose van

Ako je izlazni gradijent i veći od kritičnog izlaznog gradijenta iKR dolazi do regresivne erozije

i= ΔhΔL

iKR=(1minusn ) ∙ρmaterijalaminusρ v

ρv

igtiKR

n ndash mjera šupljikavosti

Izviranje vode na nizvodnoj kosini može se spriječiti ugradnjom drenažnog sustava Drenovi služe za odvodnju procjedne vode pri malom gradijentu i niskom strujnom

tlaku Zaštita nizvodnog pokosa i stabilnosti nožice ndash primjeri drenažnog sustava

27

ELEMENTI OBLIKOVANJA

1 ŠIRINA KRUNE (B)

Nema značajnijeg utjecaja na stabilnost Ovisi o mogućnosti kretanja strojeva uvjetima sigurnosti u potresnim zonama javna

prometnica

B=1+A ∙radicHA=11minus165

2 KOTA KRUNE (KK)

K K=kr+hm+hp+hd+hs+S

Kr ndash najviša radna kota

hm ndash debljina preljevnog mlaza pri dolasku velikih voda

hp ndash visina penjanja valova uz branu zbog pojave plime u smjeru potiskivanja vode vjetrom

hd ndash porast razine zbog plime

hs ndash porast razine zbog pojave polaganih oscilacija

S ndash sigurnosni dodatak (03 ndash 15 m)

hp=0005 ∙V 106 ∙ Le047

V ndash brzina vjetra u kms

V = kVo Vo ndash brzina mjerena na kopnu

k = 103 ndash 13 Le ndash efikasna duljina razmaha vjetra

28

hd=V 2 ∙ L63 ∙D

∙10minus4 ∙ cosα

D ndash dubina (m)

α ndash kut mjerodavnog vjetra prema okomici na smjer brane

Nadvišenje krune brane ndash zbog konsolidacijskog slijeganja nakon izgradnje (hg = εH)

ε = 001

hgge001 ∙H

3 OBLIKOVANJE KOSINA

zadovoljavanje uvjeta stabilnosti pokosa na klizanje vodoravne berme koje prekidaju jednoliki nagib

uzvodni pokos ndash nasute brane mora biti zaštićen od djelovanja valova i atmosferilija (posebno leda) pa se oblaže kamenim nabačajem ili ako se koristi asfalt-betonski cement-betonski ili AB ekran tada on ima i zaštitnu funkciju

nizvodni pokos ndash zemljane nasute brane najčešće se zatravnjuje (nanošenje nanosa) Ako je brana kamena ne treba zatravnjivati iako se ponekad zatravnjuje iz estetskih razloga (uklapanje u okoliš npr brana na Lokvarskom jezeru)

29

PROCJEĐIVANJE

Q ndash protok kroz branu (jezgru) + protok kroz temeljno tlo

Osnovno pravilo ndash treba težiti da se tlakovi u jezgri i procjedna linija u nizvodnom potpornom tijelu snize na minimum a procjedne vode treba skupiti na dnu i preko zaštićenog drenažnog sustava izvesti izvan brane

Vodoravni zastor ndash produljenje puta procjeđivanja

Uspravna nepropusna brana ndash prekida vodoravni tok kroz propusne naslage usmjerava prema dolje ili zatvara presjek do nepropusne zone (čelično žmurje dijafragma od betona i AB)

Vododrživost temeljnog tla

djelomična ili potpuna zamjena tla ndash produženje jezgretemeljnog klina

uzvodni glineni zastor

30

dijafragma

injektiranje

NOSIVOST I STABILNOST

Brana preuzima hidrostatičko opterećenje i sa svojom vlastitom težinom prenosi ga na temeljno tlo

Mehanička stabilnost brana podrazumijeva

stabilnost kosina (pronalaženje kliznih ploha) stabilnost temeljnog tla

Stabilnost zemljanih nasipa (Coulomb 1773g) zakon otpora vezanog zemljišta na smicanje da je jednadžbom

τ=C+σ ∙tgφ

tj kohezijom (c = const) i unutarnjim trenjem (φ) a tgφ ovisi od normalnog naprezanja (σ) u ravnini smicanja

F s=τ f

τ= čvrstoćanasmicanje

otpor nasmicanje

Nasute brane su nepreljevne u smislu prelijevanja preko krune brane Koriste se bočni bunarski preljevi i sl Prelijevanje preko nasute brane pogotovo ukoliko je ono dugotrajno rezultira erodiranjem nizvodnog pokosa što može rezultirati rušenjem brane

Da se spriječi prelijevanje potrebno je dobro

odrediti visinu krune brane odrediti mjerodavni vodni val (velike vode) dimenzionirati izvesti i održavati evakuacijske organe

31

Ako je nizvodno područje naseljeno evakuacijski organi se dimenzioniraju na maksimalnu veliku vodu Ako je nizvodno područje nenaseljeno te pri poplavljivanju ne može doći do ugrožavanja ljudskih života evakuacijski organi se dimenzioniraju na 1000 ndash godišnju veliku vodu

32

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

C) VODOPROPUSNOSTa) intergranularnab) pukotinskac) pukotinsko ndash kaverozna (krš)

Tlo se obično predstavlja kao medij s konstantnom vodopropusnošću

Darcyjev zakon ndash brzina strujanja proporcionalna je hidrauličkom gradijentu i koeficijentu hidrauličke provodljivosti

v=k ∙ΔHL

=k ∙ I kminushidraulička provodljivost Iminushidraulički gradijent

k ovisi o - veličini i obliku čestica tla kroz koje protječe voda- porozitetu (n)- o strukturi tla (rasporedu čestica)- o temperaturi vode

11

12

5 SILE

Sile koje djeluju na branu

VANJSKEo Aktivne ndash tlak vode uzgon opterećenje ledom tlo potres valovi stalna i

povremenapokretna opterećenja (kranovi strojevi)

o Pasivne ndash reakcija tla sile trenja sile prionjivosti temeljnog tla i brane

UNUTARNJEo Aktivne ndash vlastita težina brane tlak vode u porama sile uslijed

temperaturnih promjena stezanja betona smrzavanja vode u betonu

o Pasivne ndash uslijed djelovanja naprezanja u brani

13

14

6 BRANE

Brane su hidrotehničke građevine kojima se pregrađuju doline kako bi se voda zadržala radi obrane od poplava (usporavanja vode na željenoj koti) i omogućavanja iskorištenja vode

Podjela prema svrsinamjeni

Akumulacijske (jednonamjenske višenamjenske) Retencijske (privremeno zadržavanje vode) Zahvat vode (vodoopskrba navodnjavanje) Kanaliziranje rijeka (brane u nizu ndash veće dubineplovnost) Zadržavanje nanosa ndash pragovi

Jalovišta (nema u RH) Nasipi (obrana od poplava)

Podjela prema materijalu

BETONSKE BRANEo gravitacijske

o olakšane gravitacijske višelučne

raščlanjene (s kontraforima pločama i sl)

15

o lučne

o pokretne rječne

o prednapergnute

Gravitacijske brane ndash masivne pretežno betonske brane koje se utjecaju vanjskih sila suprostavljaju isključivo svojom težinom

Olakšane gravitacijske brane ndash kontrolne galerije (šupljine) smanjuju vlastitu težinu ali imaju znatno širu osnovicu (gt067 H) čime se osigurava stabilnost

Raščlanjene brane s kontraforima ndash olakšana brana sa širom osnovicom bolje podnosi potres i manji uzgon

Lučne brane ndash brane čiji je horizontalni presjek krivolinijskog oblika (oblik luka) a opterećenje se prenosi na bokove

Višelučne brane ndash više lukova

16

Podjela prema veličini

velike brane H ge15m

5leH le15mako je V ak=3 ∙106m3

male brane ndash sve ostale

Podjela prema načinu prenošenja opterećenja

gravitacijske (a) lučne (b) kontraforne (c) kombinirane

Podjela prema utjecaju na rijeku

dolinska pregrada brana

Podjela prema evakuaciji vode

preljevne ndash preljev na tijelu brane nepreljevne ndash preljev izvan tijela brane

ELEMENTI BRANE

evakuacijski organ (preljev) slapište (bučnica) temeljni ispust

(pražnjenje vode i ispiranje nanosa) zahvat temelj kruna brane drenažni sustav injekcijska zavjesa nanos akumulacijski bazen komandna zgrada objekti za skretanje vodnog toka (za vrijeme građenja)

17

Treba se definirati

o os braneo građevinska visina brane (od temelja do krune)o hidraulička visina (razlika kote maksimalnog uspora i kote dna rijeke prije

izgradnje)o dužinu brane u kruni

Faktori koji utječu na izbor tipa brane

IZBOR (I)

NASUTE BRANEo Prednosti

minimalni zahtjevi kod temeljenja i prilagodljivosti skoro svim vrstama terena

mogućnost korištenja raznovrsnog i heterogenog materijala za nasip jeftino i brzo ugrađivanje

o Mane osjetljivost na prelijevanje osjetljivost na procjeđivanje i ispiranje materijala (unutrašnja erozija) za evakuaciju velikih voda potrebni su posebni betonski objekti izvan

brane veliki obim radova (zbog blagih kosina)

18

IZBOR (II)

BETONSKE BRANEo Prednosti

izdržljivost na prelijevanje i procjeđivanje male količine materijala (strm nagib)

o Mane visoki zahtjevi za temeljenje (visoka nosivost tla niska deformabilnost

ne u potresnoj zoni) visoka jedinična cijena (spor rad i brojna radna snaga) za lučne brane provjerava se odnos visine brane i širine doline

U cilju kontrole stanja brane zbog pravovremenog uočavanja promjena na brani i pravovremene provedbe eventualno potrebne sanacije provodi se tehničko promatranje (monitoring oskultacije) brane

vizualna kontrola (uočavanje svih vidljivih promjena naprimjer pukotina oštećenja) praćenje procjeđivanja i pritiska vode mjerenje horizontalnih i vertikalnih pomaka (slijegavanje brane)

61 NASUTE BRANE

Nasipi ndash građevine koje služe za regulaciju vodotoka i omeđivanje korita rijeka vrlo dugi i relativno niski

Nasute brane ndash relativno kratki i visoki nasipi

Nevezani materijal ndash NASUTE BRANEo Zemljane brane od prirodnih materijala

Homogenog presjeka bez zaptivnog tijela Heterogenog presjeka s nepropusnom glinenom vertikalnom ili kosom

jezgrom ili s jezgrom nekog drugog nepropusnog ili slabo propusnog materijala

o Od kamenog nabačaja s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom od prirodnih materijala s vertikalnom dijafragmom od umjetnih ili pripremljenih materijala s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski ljevani

asfalt geomembrane)

19

Vezani materijal ndash BETONSKE BRANE

o AB (rijetko)o od drugih materijala (u prošlosti) drvo metal zidanje

KRITERIJI KOJI MORAJU BITI ZADOVOLJENI

moraju izdržati hidrostatski tlak količina procjedne vode mora biti u prihvatljivim granicama procjeđivanje ne smije izazivati eroziju u brani ili temelju

IZBOR RJEŠENJA OVISI O

1 Sastavu i osobinama temeljnog tla čvrsto i otporno tlo rarr strmiji pokosi primjena materijala velike otpornosti na

smicanje (lomljeni kamen ili krupnozrnati šljunak) tlo veće stlačivosti i male otpornosti na smicanje ndash nagib pokosa mora biti

manji

2 Hidrogeološkim karakteristikama ndash ako su površinske naslage od jače propusnog materijala moguća su rješenja

zamjena propusnog materijala slabije propusnim sprječavanje procjeđivanja injekcijskom zavjesom ili kontinuiranom

dijafragmom nepropusni zastori vertikalne protufiltracijske konstrukcije nizvodna strana ndash drenažni bunari

20

IZBOR LOKACIJE

morfološke karakteristike profila geološke karakteristike ndash rasjedi diskontinuiteti mogućnost evakuacije velikih voda V ndash H odnos Odnos volumena brane i troškova građenja Uvjeti postavljanja hidrotehničkih građevina

Karakteristike

o velika vlastita težina koja se raspodjeljuje na veliku površinu pa se može raditi i na nepovoljnijem terenu (veće stišljivosti i male čvrstoće na smicanje)

o građevina mora biti tehnički sigurna i funkcionalna uz minimalne troškoveo prema materijalu homogene zonirane i nasute s uzvodnim nepropusnim

materijalom

O čemu ovisi odabir tipa brane

Ovisi o tome kakav materijal imamo na raspolaganju i kakve su karakteristike temeljnog tla

1 HOMOGENE ndash primjena samo jednog materijala dovoljno male propusnosti (glinoviti materijali pjeskovito prašinasti glinoviti šljunak) Homogenost nije apsolutna ndash anizotropija se javlja zbog ugradbe u slojevima Ne može se osigurati trajna stabilnost i mora imati drenove Blagi pokosi (nizvodni i uzvodni) jer slabo propusni materijali imaju manju čvrstoću na smicanje

21

DRENOVI

plošni ndash ispod nizvodnog dijela vertikalni ndash u sredini tijela brane spojen s nizvodnom stopom

usklađenost granulometrijskog sastava brane i drenova

Vertikalni dren

2 ZONIRANE ndash od materijala različitih svojstava koji se raspoređuju unutar presjeka tako da se njihove karakteristike optimalno iskoriste (stabilnost i ekonomičnost)

o materijali male propusnosti ndash mala otpornost na smicanjeo materijali veće propusnosti ndash veća otpornost na smicanje

22

Zonirane ndash više materijala koji imaju različite funkcije

o Jezgra ndash osigurava vodonepropusnost ima mali koeficijent provodljivosti i malu otpornost na smicanje ndash glinoviti i prašinasti materijali

o Potporne zone ndash osiguravaju jezgru i podupiru je i s uzvodne strane ndash veća propusnost veća otpornost na smicanje obično manje stlačivosti (zemlja kamen)

Položaj jezgre

- na uzvodnoj strani- u sredini uzvodnog klina- u sredini poprečnog presjeka

BRANE OD KAMENOG NABAČAJA

s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom (glina pjeskovita ilovača prašina) ili dijafragmom (geomembrane)

s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski lijevani asflat geomembrane)

23

Problemi

osjetljivost na uvjete ugradnjeo slabo propusni koherentni materijali mogu se ugrađivati u relativno uskim

granicama oko optimalne vlažnostiglinoviti materijali plusmn 5 oko srednje vrijednostiprašinasti materijali optimalna vlaga

na spoju različitih materijala mijenja se gradijent tlaka i procjedne vode što može izazvati ispiranje čestica sitnijih frakcija (erozija i degradacija jezgre)

- potrebna ugradnja FILTARSKIH SLOJEVA

Jezgra leži na betonskoj galeriji da bi se spriječila postupna erozija jezgre vodom koja bi se mogla zadržavati u temeljnoj stijeni

24

3 NASUTE BRANE S UZVODNIM NEPROPUSNIM MATERIJALOM

Kada u blizini nema materijala za jezgru odgovarajuće nepropusnosti ili su klimatski uvjeti nepovoljni za građenje Nepropusni ekran ndash AB asfalt-beton čelični lim

osjetljivost na termičke promjene osjetljivost zbog različitog ponašanja nasutog materijala i materijala obloge osjetljivost zbog kombinacije prirodnog i umjetnog materijala

MATERIJALI ZA NASIPAVANJE ndash moraju zadovoljiti kontradiktorne zahtjeve

velika otpornost na smicanje relativno mala stišljivost mala propusnost mala osjetljivost na promjene vlažnosti

Prema svojstvima

koherentni materijali (glina niske do visoke plastičnosti s lt 10 pijeska male vodopropusnosti i srednje do velike stišljivosti)

nekoherentni materijali (sitnozrnati s lt 50 pijeska male stišljivosti) krupnozrnati materijali ( gt 50 šljunka mala stišljivost srednja čvrstoća na smicanje)

Prema mogućnostima ugradnje

neosjetljivi na održavanje vlažnosti (glinoviti materijali male do srednje vlažnosti) malo osjetljivi na vlažnost pri ugradnji (šljunak pijesak s malo praha) osjetljivi na vlažnost (prašinasti pijesak prah glinoviti prah) ndash mogućnost ugradbe u

uskom rasponu vlažnosti u odnosu na optimalnu

Prema namjeni

za otješnjenje i onemogućavanje procjeđivanja akumulirane vode za potporne zone ndash gotovo svi drenirajući i filtarski slojevi za zaštitnu oblogu uzvodnog i nizvodnog pokosa ndash otporni na eroziju balastni materijali ndash osiguranje od klizanja

25

Treba osigurati

vodonepropusnost tijela brane vodonepropusnost temeljnog tla

Treba osigurati hidrauličku stabilnost brane

zaštitu od unutrašnje erozije zaštitu od regresivne erozije

UNUTRAŠNJA EROZIJA

unutrašnja erozija je ispiranje čestica sitnijeg materijala kroz šupljine većih čestica bolja zbijenost materijala manja mogućnost ispiranja čestica do unutrašnje erozije dolazi na kontaktu različitih materijala Za spriječavanje

unutrašnje erozije izvode se zaštitni filtarski slojevi Moguće je izvesti jedan ili više filtarskih slojeva

svrha filtarskih slojeva je da spriječe unutrašnju eroziju brane i pronošenje sitnih čestica u smjeru toka vode uključujući i slobodne površine na kojima voda izvire

Filtarski slojevi trebaju ispunjavati slijedeće uvjeteo propusnost filtra treba biti znatno veća od propusnosti materijala iz kojeg

voda dotječeo granulacija filtarskih slojeva mora biti takva da spriječi dalje prenošenje sitnih

čestica kroz filtaro granulacija materijala filtra ne smije dozvoliti unutrašnju eroziju filtra

FILTARSKO PRAVILO (definirano normom HRN)

(F ndash filtarski materijal O ndash bazni materijal tlo jezgra prethodni filtarski sloj)

a) D15F D 15

O gt5 - onemogućava se začepljenje filtra

b) D15F D 85

O le5 - onemogućava se ispiranje

c) D85O otvor ge2 - promjer zrna 2 puta veći od otvora na drenažnoj cijevi

d) Što ujednačeniji granulometrijski sastav ndash da bi se ostvarila željena vodopropusnost i izbjegla segregacija pri čuvanju transportu i ugrađivanju)

26

REGRESIVNA EROZIJA ndash tunnelling efekt

Regresivna erozija nastaje na plohi na kojoj se pojavljuje tečenje vode (vrelna ploha) i tamo gdje su brzine veće od težina čestica pa se one iznose van

Ako je izlazni gradijent i veći od kritičnog izlaznog gradijenta iKR dolazi do regresivne erozije

i= ΔhΔL

iKR=(1minusn ) ∙ρmaterijalaminusρ v

ρv

igtiKR

n ndash mjera šupljikavosti

Izviranje vode na nizvodnoj kosini može se spriječiti ugradnjom drenažnog sustava Drenovi služe za odvodnju procjedne vode pri malom gradijentu i niskom strujnom

tlaku Zaštita nizvodnog pokosa i stabilnosti nožice ndash primjeri drenažnog sustava

27

ELEMENTI OBLIKOVANJA

1 ŠIRINA KRUNE (B)

Nema značajnijeg utjecaja na stabilnost Ovisi o mogućnosti kretanja strojeva uvjetima sigurnosti u potresnim zonama javna

prometnica

B=1+A ∙radicHA=11minus165

2 KOTA KRUNE (KK)

K K=kr+hm+hp+hd+hs+S

Kr ndash najviša radna kota

hm ndash debljina preljevnog mlaza pri dolasku velikih voda

hp ndash visina penjanja valova uz branu zbog pojave plime u smjeru potiskivanja vode vjetrom

hd ndash porast razine zbog plime

hs ndash porast razine zbog pojave polaganih oscilacija

S ndash sigurnosni dodatak (03 ndash 15 m)

hp=0005 ∙V 106 ∙ Le047

V ndash brzina vjetra u kms

V = kVo Vo ndash brzina mjerena na kopnu

k = 103 ndash 13 Le ndash efikasna duljina razmaha vjetra

28

hd=V 2 ∙ L63 ∙D

∙10minus4 ∙ cosα

D ndash dubina (m)

α ndash kut mjerodavnog vjetra prema okomici na smjer brane

Nadvišenje krune brane ndash zbog konsolidacijskog slijeganja nakon izgradnje (hg = εH)

ε = 001

hgge001 ∙H

3 OBLIKOVANJE KOSINA

zadovoljavanje uvjeta stabilnosti pokosa na klizanje vodoravne berme koje prekidaju jednoliki nagib

uzvodni pokos ndash nasute brane mora biti zaštićen od djelovanja valova i atmosferilija (posebno leda) pa se oblaže kamenim nabačajem ili ako se koristi asfalt-betonski cement-betonski ili AB ekran tada on ima i zaštitnu funkciju

nizvodni pokos ndash zemljane nasute brane najčešće se zatravnjuje (nanošenje nanosa) Ako je brana kamena ne treba zatravnjivati iako se ponekad zatravnjuje iz estetskih razloga (uklapanje u okoliš npr brana na Lokvarskom jezeru)

29

PROCJEĐIVANJE

Q ndash protok kroz branu (jezgru) + protok kroz temeljno tlo

Osnovno pravilo ndash treba težiti da se tlakovi u jezgri i procjedna linija u nizvodnom potpornom tijelu snize na minimum a procjedne vode treba skupiti na dnu i preko zaštićenog drenažnog sustava izvesti izvan brane

Vodoravni zastor ndash produljenje puta procjeđivanja

Uspravna nepropusna brana ndash prekida vodoravni tok kroz propusne naslage usmjerava prema dolje ili zatvara presjek do nepropusne zone (čelično žmurje dijafragma od betona i AB)

Vododrživost temeljnog tla

djelomična ili potpuna zamjena tla ndash produženje jezgretemeljnog klina

uzvodni glineni zastor

30

dijafragma

injektiranje

NOSIVOST I STABILNOST

Brana preuzima hidrostatičko opterećenje i sa svojom vlastitom težinom prenosi ga na temeljno tlo

Mehanička stabilnost brana podrazumijeva

stabilnost kosina (pronalaženje kliznih ploha) stabilnost temeljnog tla

Stabilnost zemljanih nasipa (Coulomb 1773g) zakon otpora vezanog zemljišta na smicanje da je jednadžbom

τ=C+σ ∙tgφ

tj kohezijom (c = const) i unutarnjim trenjem (φ) a tgφ ovisi od normalnog naprezanja (σ) u ravnini smicanja

F s=τ f

τ= čvrstoćanasmicanje

otpor nasmicanje

Nasute brane su nepreljevne u smislu prelijevanja preko krune brane Koriste se bočni bunarski preljevi i sl Prelijevanje preko nasute brane pogotovo ukoliko je ono dugotrajno rezultira erodiranjem nizvodnog pokosa što može rezultirati rušenjem brane

Da se spriječi prelijevanje potrebno je dobro

odrediti visinu krune brane odrediti mjerodavni vodni val (velike vode) dimenzionirati izvesti i održavati evakuacijske organe

31

Ako je nizvodno područje naseljeno evakuacijski organi se dimenzioniraju na maksimalnu veliku vodu Ako je nizvodno područje nenaseljeno te pri poplavljivanju ne može doći do ugrožavanja ljudskih života evakuacijski organi se dimenzioniraju na 1000 ndash godišnju veliku vodu

32

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

12

5 SILE

Sile koje djeluju na branu

VANJSKEo Aktivne ndash tlak vode uzgon opterećenje ledom tlo potres valovi stalna i

povremenapokretna opterećenja (kranovi strojevi)

o Pasivne ndash reakcija tla sile trenja sile prionjivosti temeljnog tla i brane

UNUTARNJEo Aktivne ndash vlastita težina brane tlak vode u porama sile uslijed

temperaturnih promjena stezanja betona smrzavanja vode u betonu

o Pasivne ndash uslijed djelovanja naprezanja u brani

13

14

6 BRANE

Brane su hidrotehničke građevine kojima se pregrađuju doline kako bi se voda zadržala radi obrane od poplava (usporavanja vode na željenoj koti) i omogućavanja iskorištenja vode

Podjela prema svrsinamjeni

Akumulacijske (jednonamjenske višenamjenske) Retencijske (privremeno zadržavanje vode) Zahvat vode (vodoopskrba navodnjavanje) Kanaliziranje rijeka (brane u nizu ndash veće dubineplovnost) Zadržavanje nanosa ndash pragovi

Jalovišta (nema u RH) Nasipi (obrana od poplava)

Podjela prema materijalu

BETONSKE BRANEo gravitacijske

o olakšane gravitacijske višelučne

raščlanjene (s kontraforima pločama i sl)

15

o lučne

o pokretne rječne

o prednapergnute

Gravitacijske brane ndash masivne pretežno betonske brane koje se utjecaju vanjskih sila suprostavljaju isključivo svojom težinom

Olakšane gravitacijske brane ndash kontrolne galerije (šupljine) smanjuju vlastitu težinu ali imaju znatno širu osnovicu (gt067 H) čime se osigurava stabilnost

Raščlanjene brane s kontraforima ndash olakšana brana sa širom osnovicom bolje podnosi potres i manji uzgon

Lučne brane ndash brane čiji je horizontalni presjek krivolinijskog oblika (oblik luka) a opterećenje se prenosi na bokove

Višelučne brane ndash više lukova

16

Podjela prema veličini

velike brane H ge15m

5leH le15mako je V ak=3 ∙106m3

male brane ndash sve ostale

Podjela prema načinu prenošenja opterećenja

gravitacijske (a) lučne (b) kontraforne (c) kombinirane

Podjela prema utjecaju na rijeku

dolinska pregrada brana

Podjela prema evakuaciji vode

preljevne ndash preljev na tijelu brane nepreljevne ndash preljev izvan tijela brane

ELEMENTI BRANE

evakuacijski organ (preljev) slapište (bučnica) temeljni ispust

(pražnjenje vode i ispiranje nanosa) zahvat temelj kruna brane drenažni sustav injekcijska zavjesa nanos akumulacijski bazen komandna zgrada objekti za skretanje vodnog toka (za vrijeme građenja)

17

Treba se definirati

o os braneo građevinska visina brane (od temelja do krune)o hidraulička visina (razlika kote maksimalnog uspora i kote dna rijeke prije

izgradnje)o dužinu brane u kruni

Faktori koji utječu na izbor tipa brane

IZBOR (I)

NASUTE BRANEo Prednosti

minimalni zahtjevi kod temeljenja i prilagodljivosti skoro svim vrstama terena

mogućnost korištenja raznovrsnog i heterogenog materijala za nasip jeftino i brzo ugrađivanje

o Mane osjetljivost na prelijevanje osjetljivost na procjeđivanje i ispiranje materijala (unutrašnja erozija) za evakuaciju velikih voda potrebni su posebni betonski objekti izvan

brane veliki obim radova (zbog blagih kosina)

18

IZBOR (II)

BETONSKE BRANEo Prednosti

izdržljivost na prelijevanje i procjeđivanje male količine materijala (strm nagib)

o Mane visoki zahtjevi za temeljenje (visoka nosivost tla niska deformabilnost

ne u potresnoj zoni) visoka jedinična cijena (spor rad i brojna radna snaga) za lučne brane provjerava se odnos visine brane i širine doline

U cilju kontrole stanja brane zbog pravovremenog uočavanja promjena na brani i pravovremene provedbe eventualno potrebne sanacije provodi se tehničko promatranje (monitoring oskultacije) brane

vizualna kontrola (uočavanje svih vidljivih promjena naprimjer pukotina oštećenja) praćenje procjeđivanja i pritiska vode mjerenje horizontalnih i vertikalnih pomaka (slijegavanje brane)

61 NASUTE BRANE

Nasipi ndash građevine koje služe za regulaciju vodotoka i omeđivanje korita rijeka vrlo dugi i relativno niski

Nasute brane ndash relativno kratki i visoki nasipi

Nevezani materijal ndash NASUTE BRANEo Zemljane brane od prirodnih materijala

Homogenog presjeka bez zaptivnog tijela Heterogenog presjeka s nepropusnom glinenom vertikalnom ili kosom

jezgrom ili s jezgrom nekog drugog nepropusnog ili slabo propusnog materijala

o Od kamenog nabačaja s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom od prirodnih materijala s vertikalnom dijafragmom od umjetnih ili pripremljenih materijala s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski ljevani

asfalt geomembrane)

19

Vezani materijal ndash BETONSKE BRANE

o AB (rijetko)o od drugih materijala (u prošlosti) drvo metal zidanje

KRITERIJI KOJI MORAJU BITI ZADOVOLJENI

moraju izdržati hidrostatski tlak količina procjedne vode mora biti u prihvatljivim granicama procjeđivanje ne smije izazivati eroziju u brani ili temelju

IZBOR RJEŠENJA OVISI O

1 Sastavu i osobinama temeljnog tla čvrsto i otporno tlo rarr strmiji pokosi primjena materijala velike otpornosti na

smicanje (lomljeni kamen ili krupnozrnati šljunak) tlo veće stlačivosti i male otpornosti na smicanje ndash nagib pokosa mora biti

manji

2 Hidrogeološkim karakteristikama ndash ako su površinske naslage od jače propusnog materijala moguća su rješenja

zamjena propusnog materijala slabije propusnim sprječavanje procjeđivanja injekcijskom zavjesom ili kontinuiranom

dijafragmom nepropusni zastori vertikalne protufiltracijske konstrukcije nizvodna strana ndash drenažni bunari

20

IZBOR LOKACIJE

morfološke karakteristike profila geološke karakteristike ndash rasjedi diskontinuiteti mogućnost evakuacije velikih voda V ndash H odnos Odnos volumena brane i troškova građenja Uvjeti postavljanja hidrotehničkih građevina

Karakteristike

o velika vlastita težina koja se raspodjeljuje na veliku površinu pa se može raditi i na nepovoljnijem terenu (veće stišljivosti i male čvrstoće na smicanje)

o građevina mora biti tehnički sigurna i funkcionalna uz minimalne troškoveo prema materijalu homogene zonirane i nasute s uzvodnim nepropusnim

materijalom

O čemu ovisi odabir tipa brane

Ovisi o tome kakav materijal imamo na raspolaganju i kakve su karakteristike temeljnog tla

1 HOMOGENE ndash primjena samo jednog materijala dovoljno male propusnosti (glinoviti materijali pjeskovito prašinasti glinoviti šljunak) Homogenost nije apsolutna ndash anizotropija se javlja zbog ugradbe u slojevima Ne može se osigurati trajna stabilnost i mora imati drenove Blagi pokosi (nizvodni i uzvodni) jer slabo propusni materijali imaju manju čvrstoću na smicanje

21

DRENOVI

plošni ndash ispod nizvodnog dijela vertikalni ndash u sredini tijela brane spojen s nizvodnom stopom

usklađenost granulometrijskog sastava brane i drenova

Vertikalni dren

2 ZONIRANE ndash od materijala različitih svojstava koji se raspoređuju unutar presjeka tako da se njihove karakteristike optimalno iskoriste (stabilnost i ekonomičnost)

o materijali male propusnosti ndash mala otpornost na smicanjeo materijali veće propusnosti ndash veća otpornost na smicanje

22

Zonirane ndash više materijala koji imaju različite funkcije

o Jezgra ndash osigurava vodonepropusnost ima mali koeficijent provodljivosti i malu otpornost na smicanje ndash glinoviti i prašinasti materijali

o Potporne zone ndash osiguravaju jezgru i podupiru je i s uzvodne strane ndash veća propusnost veća otpornost na smicanje obično manje stlačivosti (zemlja kamen)

Položaj jezgre

- na uzvodnoj strani- u sredini uzvodnog klina- u sredini poprečnog presjeka

BRANE OD KAMENOG NABAČAJA

s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom (glina pjeskovita ilovača prašina) ili dijafragmom (geomembrane)

s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski lijevani asflat geomembrane)

23

Problemi

osjetljivost na uvjete ugradnjeo slabo propusni koherentni materijali mogu se ugrađivati u relativno uskim

granicama oko optimalne vlažnostiglinoviti materijali plusmn 5 oko srednje vrijednostiprašinasti materijali optimalna vlaga

na spoju različitih materijala mijenja se gradijent tlaka i procjedne vode što može izazvati ispiranje čestica sitnijih frakcija (erozija i degradacija jezgre)

- potrebna ugradnja FILTARSKIH SLOJEVA

Jezgra leži na betonskoj galeriji da bi se spriječila postupna erozija jezgre vodom koja bi se mogla zadržavati u temeljnoj stijeni

24

3 NASUTE BRANE S UZVODNIM NEPROPUSNIM MATERIJALOM

Kada u blizini nema materijala za jezgru odgovarajuće nepropusnosti ili su klimatski uvjeti nepovoljni za građenje Nepropusni ekran ndash AB asfalt-beton čelični lim

osjetljivost na termičke promjene osjetljivost zbog različitog ponašanja nasutog materijala i materijala obloge osjetljivost zbog kombinacije prirodnog i umjetnog materijala

MATERIJALI ZA NASIPAVANJE ndash moraju zadovoljiti kontradiktorne zahtjeve

velika otpornost na smicanje relativno mala stišljivost mala propusnost mala osjetljivost na promjene vlažnosti

Prema svojstvima

koherentni materijali (glina niske do visoke plastičnosti s lt 10 pijeska male vodopropusnosti i srednje do velike stišljivosti)

nekoherentni materijali (sitnozrnati s lt 50 pijeska male stišljivosti) krupnozrnati materijali ( gt 50 šljunka mala stišljivost srednja čvrstoća na smicanje)

Prema mogućnostima ugradnje

neosjetljivi na održavanje vlažnosti (glinoviti materijali male do srednje vlažnosti) malo osjetljivi na vlažnost pri ugradnji (šljunak pijesak s malo praha) osjetljivi na vlažnost (prašinasti pijesak prah glinoviti prah) ndash mogućnost ugradbe u

uskom rasponu vlažnosti u odnosu na optimalnu

Prema namjeni

za otješnjenje i onemogućavanje procjeđivanja akumulirane vode za potporne zone ndash gotovo svi drenirajući i filtarski slojevi za zaštitnu oblogu uzvodnog i nizvodnog pokosa ndash otporni na eroziju balastni materijali ndash osiguranje od klizanja

25

Treba osigurati

vodonepropusnost tijela brane vodonepropusnost temeljnog tla

Treba osigurati hidrauličku stabilnost brane

zaštitu od unutrašnje erozije zaštitu od regresivne erozije

UNUTRAŠNJA EROZIJA

unutrašnja erozija je ispiranje čestica sitnijeg materijala kroz šupljine većih čestica bolja zbijenost materijala manja mogućnost ispiranja čestica do unutrašnje erozije dolazi na kontaktu različitih materijala Za spriječavanje

unutrašnje erozije izvode se zaštitni filtarski slojevi Moguće je izvesti jedan ili više filtarskih slojeva

svrha filtarskih slojeva je da spriječe unutrašnju eroziju brane i pronošenje sitnih čestica u smjeru toka vode uključujući i slobodne površine na kojima voda izvire

Filtarski slojevi trebaju ispunjavati slijedeće uvjeteo propusnost filtra treba biti znatno veća od propusnosti materijala iz kojeg

voda dotječeo granulacija filtarskih slojeva mora biti takva da spriječi dalje prenošenje sitnih

čestica kroz filtaro granulacija materijala filtra ne smije dozvoliti unutrašnju eroziju filtra

FILTARSKO PRAVILO (definirano normom HRN)

(F ndash filtarski materijal O ndash bazni materijal tlo jezgra prethodni filtarski sloj)

a) D15F D 15

O gt5 - onemogućava se začepljenje filtra

b) D15F D 85

O le5 - onemogućava se ispiranje

c) D85O otvor ge2 - promjer zrna 2 puta veći od otvora na drenažnoj cijevi

d) Što ujednačeniji granulometrijski sastav ndash da bi se ostvarila željena vodopropusnost i izbjegla segregacija pri čuvanju transportu i ugrađivanju)

26

REGRESIVNA EROZIJA ndash tunnelling efekt

Regresivna erozija nastaje na plohi na kojoj se pojavljuje tečenje vode (vrelna ploha) i tamo gdje su brzine veće od težina čestica pa se one iznose van

Ako je izlazni gradijent i veći od kritičnog izlaznog gradijenta iKR dolazi do regresivne erozije

i= ΔhΔL

iKR=(1minusn ) ∙ρmaterijalaminusρ v

ρv

igtiKR

n ndash mjera šupljikavosti

Izviranje vode na nizvodnoj kosini može se spriječiti ugradnjom drenažnog sustava Drenovi služe za odvodnju procjedne vode pri malom gradijentu i niskom strujnom

tlaku Zaštita nizvodnog pokosa i stabilnosti nožice ndash primjeri drenažnog sustava

27

ELEMENTI OBLIKOVANJA

1 ŠIRINA KRUNE (B)

Nema značajnijeg utjecaja na stabilnost Ovisi o mogućnosti kretanja strojeva uvjetima sigurnosti u potresnim zonama javna

prometnica

B=1+A ∙radicHA=11minus165

2 KOTA KRUNE (KK)

K K=kr+hm+hp+hd+hs+S

Kr ndash najviša radna kota

hm ndash debljina preljevnog mlaza pri dolasku velikih voda

hp ndash visina penjanja valova uz branu zbog pojave plime u smjeru potiskivanja vode vjetrom

hd ndash porast razine zbog plime

hs ndash porast razine zbog pojave polaganih oscilacija

S ndash sigurnosni dodatak (03 ndash 15 m)

hp=0005 ∙V 106 ∙ Le047

V ndash brzina vjetra u kms

V = kVo Vo ndash brzina mjerena na kopnu

k = 103 ndash 13 Le ndash efikasna duljina razmaha vjetra

28

hd=V 2 ∙ L63 ∙D

∙10minus4 ∙ cosα

D ndash dubina (m)

α ndash kut mjerodavnog vjetra prema okomici na smjer brane

Nadvišenje krune brane ndash zbog konsolidacijskog slijeganja nakon izgradnje (hg = εH)

ε = 001

hgge001 ∙H

3 OBLIKOVANJE KOSINA

zadovoljavanje uvjeta stabilnosti pokosa na klizanje vodoravne berme koje prekidaju jednoliki nagib

uzvodni pokos ndash nasute brane mora biti zaštićen od djelovanja valova i atmosferilija (posebno leda) pa se oblaže kamenim nabačajem ili ako se koristi asfalt-betonski cement-betonski ili AB ekran tada on ima i zaštitnu funkciju

nizvodni pokos ndash zemljane nasute brane najčešće se zatravnjuje (nanošenje nanosa) Ako je brana kamena ne treba zatravnjivati iako se ponekad zatravnjuje iz estetskih razloga (uklapanje u okoliš npr brana na Lokvarskom jezeru)

29

PROCJEĐIVANJE

Q ndash protok kroz branu (jezgru) + protok kroz temeljno tlo

Osnovno pravilo ndash treba težiti da se tlakovi u jezgri i procjedna linija u nizvodnom potpornom tijelu snize na minimum a procjedne vode treba skupiti na dnu i preko zaštićenog drenažnog sustava izvesti izvan brane

Vodoravni zastor ndash produljenje puta procjeđivanja

Uspravna nepropusna brana ndash prekida vodoravni tok kroz propusne naslage usmjerava prema dolje ili zatvara presjek do nepropusne zone (čelično žmurje dijafragma od betona i AB)

Vododrživost temeljnog tla

djelomična ili potpuna zamjena tla ndash produženje jezgretemeljnog klina

uzvodni glineni zastor

30

dijafragma

injektiranje

NOSIVOST I STABILNOST

Brana preuzima hidrostatičko opterećenje i sa svojom vlastitom težinom prenosi ga na temeljno tlo

Mehanička stabilnost brana podrazumijeva

stabilnost kosina (pronalaženje kliznih ploha) stabilnost temeljnog tla

Stabilnost zemljanih nasipa (Coulomb 1773g) zakon otpora vezanog zemljišta na smicanje da je jednadžbom

τ=C+σ ∙tgφ

tj kohezijom (c = const) i unutarnjim trenjem (φ) a tgφ ovisi od normalnog naprezanja (σ) u ravnini smicanja

F s=τ f

τ= čvrstoćanasmicanje

otpor nasmicanje

Nasute brane su nepreljevne u smislu prelijevanja preko krune brane Koriste se bočni bunarski preljevi i sl Prelijevanje preko nasute brane pogotovo ukoliko je ono dugotrajno rezultira erodiranjem nizvodnog pokosa što može rezultirati rušenjem brane

Da se spriječi prelijevanje potrebno je dobro

odrediti visinu krune brane odrediti mjerodavni vodni val (velike vode) dimenzionirati izvesti i održavati evakuacijske organe

31

Ako je nizvodno područje naseljeno evakuacijski organi se dimenzioniraju na maksimalnu veliku vodu Ako je nizvodno područje nenaseljeno te pri poplavljivanju ne može doći do ugrožavanja ljudskih života evakuacijski organi se dimenzioniraju na 1000 ndash godišnju veliku vodu

32

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

5 SILE

Sile koje djeluju na branu

VANJSKEo Aktivne ndash tlak vode uzgon opterećenje ledom tlo potres valovi stalna i

povremenapokretna opterećenja (kranovi strojevi)

o Pasivne ndash reakcija tla sile trenja sile prionjivosti temeljnog tla i brane

UNUTARNJEo Aktivne ndash vlastita težina brane tlak vode u porama sile uslijed

temperaturnih promjena stezanja betona smrzavanja vode u betonu

o Pasivne ndash uslijed djelovanja naprezanja u brani

13

14

6 BRANE

Brane su hidrotehničke građevine kojima se pregrađuju doline kako bi se voda zadržala radi obrane od poplava (usporavanja vode na željenoj koti) i omogućavanja iskorištenja vode

Podjela prema svrsinamjeni

Akumulacijske (jednonamjenske višenamjenske) Retencijske (privremeno zadržavanje vode) Zahvat vode (vodoopskrba navodnjavanje) Kanaliziranje rijeka (brane u nizu ndash veće dubineplovnost) Zadržavanje nanosa ndash pragovi

Jalovišta (nema u RH) Nasipi (obrana od poplava)

Podjela prema materijalu

BETONSKE BRANEo gravitacijske

o olakšane gravitacijske višelučne

raščlanjene (s kontraforima pločama i sl)

15

o lučne

o pokretne rječne

o prednapergnute

Gravitacijske brane ndash masivne pretežno betonske brane koje se utjecaju vanjskih sila suprostavljaju isključivo svojom težinom

Olakšane gravitacijske brane ndash kontrolne galerije (šupljine) smanjuju vlastitu težinu ali imaju znatno širu osnovicu (gt067 H) čime se osigurava stabilnost

Raščlanjene brane s kontraforima ndash olakšana brana sa širom osnovicom bolje podnosi potres i manji uzgon

Lučne brane ndash brane čiji je horizontalni presjek krivolinijskog oblika (oblik luka) a opterećenje se prenosi na bokove

Višelučne brane ndash više lukova

16

Podjela prema veličini

velike brane H ge15m

5leH le15mako je V ak=3 ∙106m3

male brane ndash sve ostale

Podjela prema načinu prenošenja opterećenja

gravitacijske (a) lučne (b) kontraforne (c) kombinirane

Podjela prema utjecaju na rijeku

dolinska pregrada brana

Podjela prema evakuaciji vode

preljevne ndash preljev na tijelu brane nepreljevne ndash preljev izvan tijela brane

ELEMENTI BRANE

evakuacijski organ (preljev) slapište (bučnica) temeljni ispust

(pražnjenje vode i ispiranje nanosa) zahvat temelj kruna brane drenažni sustav injekcijska zavjesa nanos akumulacijski bazen komandna zgrada objekti za skretanje vodnog toka (za vrijeme građenja)

17

Treba se definirati

o os braneo građevinska visina brane (od temelja do krune)o hidraulička visina (razlika kote maksimalnog uspora i kote dna rijeke prije

izgradnje)o dužinu brane u kruni

Faktori koji utječu na izbor tipa brane

IZBOR (I)

NASUTE BRANEo Prednosti

minimalni zahtjevi kod temeljenja i prilagodljivosti skoro svim vrstama terena

mogućnost korištenja raznovrsnog i heterogenog materijala za nasip jeftino i brzo ugrađivanje

o Mane osjetljivost na prelijevanje osjetljivost na procjeđivanje i ispiranje materijala (unutrašnja erozija) za evakuaciju velikih voda potrebni su posebni betonski objekti izvan

brane veliki obim radova (zbog blagih kosina)

18

IZBOR (II)

BETONSKE BRANEo Prednosti

izdržljivost na prelijevanje i procjeđivanje male količine materijala (strm nagib)

o Mane visoki zahtjevi za temeljenje (visoka nosivost tla niska deformabilnost

ne u potresnoj zoni) visoka jedinična cijena (spor rad i brojna radna snaga) za lučne brane provjerava se odnos visine brane i širine doline

U cilju kontrole stanja brane zbog pravovremenog uočavanja promjena na brani i pravovremene provedbe eventualno potrebne sanacije provodi se tehničko promatranje (monitoring oskultacije) brane

vizualna kontrola (uočavanje svih vidljivih promjena naprimjer pukotina oštećenja) praćenje procjeđivanja i pritiska vode mjerenje horizontalnih i vertikalnih pomaka (slijegavanje brane)

61 NASUTE BRANE

Nasipi ndash građevine koje služe za regulaciju vodotoka i omeđivanje korita rijeka vrlo dugi i relativno niski

Nasute brane ndash relativno kratki i visoki nasipi

Nevezani materijal ndash NASUTE BRANEo Zemljane brane od prirodnih materijala

Homogenog presjeka bez zaptivnog tijela Heterogenog presjeka s nepropusnom glinenom vertikalnom ili kosom

jezgrom ili s jezgrom nekog drugog nepropusnog ili slabo propusnog materijala

o Od kamenog nabačaja s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom od prirodnih materijala s vertikalnom dijafragmom od umjetnih ili pripremljenih materijala s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski ljevani

asfalt geomembrane)

19

Vezani materijal ndash BETONSKE BRANE

o AB (rijetko)o od drugih materijala (u prošlosti) drvo metal zidanje

KRITERIJI KOJI MORAJU BITI ZADOVOLJENI

moraju izdržati hidrostatski tlak količina procjedne vode mora biti u prihvatljivim granicama procjeđivanje ne smije izazivati eroziju u brani ili temelju

IZBOR RJEŠENJA OVISI O

1 Sastavu i osobinama temeljnog tla čvrsto i otporno tlo rarr strmiji pokosi primjena materijala velike otpornosti na

smicanje (lomljeni kamen ili krupnozrnati šljunak) tlo veće stlačivosti i male otpornosti na smicanje ndash nagib pokosa mora biti

manji

2 Hidrogeološkim karakteristikama ndash ako su površinske naslage od jače propusnog materijala moguća su rješenja

zamjena propusnog materijala slabije propusnim sprječavanje procjeđivanja injekcijskom zavjesom ili kontinuiranom

dijafragmom nepropusni zastori vertikalne protufiltracijske konstrukcije nizvodna strana ndash drenažni bunari

20

IZBOR LOKACIJE

morfološke karakteristike profila geološke karakteristike ndash rasjedi diskontinuiteti mogućnost evakuacije velikih voda V ndash H odnos Odnos volumena brane i troškova građenja Uvjeti postavljanja hidrotehničkih građevina

Karakteristike

o velika vlastita težina koja se raspodjeljuje na veliku površinu pa se može raditi i na nepovoljnijem terenu (veće stišljivosti i male čvrstoće na smicanje)

o građevina mora biti tehnički sigurna i funkcionalna uz minimalne troškoveo prema materijalu homogene zonirane i nasute s uzvodnim nepropusnim

materijalom

O čemu ovisi odabir tipa brane

Ovisi o tome kakav materijal imamo na raspolaganju i kakve su karakteristike temeljnog tla

1 HOMOGENE ndash primjena samo jednog materijala dovoljno male propusnosti (glinoviti materijali pjeskovito prašinasti glinoviti šljunak) Homogenost nije apsolutna ndash anizotropija se javlja zbog ugradbe u slojevima Ne može se osigurati trajna stabilnost i mora imati drenove Blagi pokosi (nizvodni i uzvodni) jer slabo propusni materijali imaju manju čvrstoću na smicanje

21

DRENOVI

plošni ndash ispod nizvodnog dijela vertikalni ndash u sredini tijela brane spojen s nizvodnom stopom

usklađenost granulometrijskog sastava brane i drenova

Vertikalni dren

2 ZONIRANE ndash od materijala različitih svojstava koji se raspoređuju unutar presjeka tako da se njihove karakteristike optimalno iskoriste (stabilnost i ekonomičnost)

o materijali male propusnosti ndash mala otpornost na smicanjeo materijali veće propusnosti ndash veća otpornost na smicanje

22

Zonirane ndash više materijala koji imaju različite funkcije

o Jezgra ndash osigurava vodonepropusnost ima mali koeficijent provodljivosti i malu otpornost na smicanje ndash glinoviti i prašinasti materijali

o Potporne zone ndash osiguravaju jezgru i podupiru je i s uzvodne strane ndash veća propusnost veća otpornost na smicanje obično manje stlačivosti (zemlja kamen)

Položaj jezgre

- na uzvodnoj strani- u sredini uzvodnog klina- u sredini poprečnog presjeka

BRANE OD KAMENOG NABAČAJA

s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom (glina pjeskovita ilovača prašina) ili dijafragmom (geomembrane)

s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski lijevani asflat geomembrane)

23

Problemi

osjetljivost na uvjete ugradnjeo slabo propusni koherentni materijali mogu se ugrađivati u relativno uskim

granicama oko optimalne vlažnostiglinoviti materijali plusmn 5 oko srednje vrijednostiprašinasti materijali optimalna vlaga

na spoju različitih materijala mijenja se gradijent tlaka i procjedne vode što može izazvati ispiranje čestica sitnijih frakcija (erozija i degradacija jezgre)

- potrebna ugradnja FILTARSKIH SLOJEVA

Jezgra leži na betonskoj galeriji da bi se spriječila postupna erozija jezgre vodom koja bi se mogla zadržavati u temeljnoj stijeni

24

3 NASUTE BRANE S UZVODNIM NEPROPUSNIM MATERIJALOM

Kada u blizini nema materijala za jezgru odgovarajuće nepropusnosti ili su klimatski uvjeti nepovoljni za građenje Nepropusni ekran ndash AB asfalt-beton čelični lim

osjetljivost na termičke promjene osjetljivost zbog različitog ponašanja nasutog materijala i materijala obloge osjetljivost zbog kombinacije prirodnog i umjetnog materijala

MATERIJALI ZA NASIPAVANJE ndash moraju zadovoljiti kontradiktorne zahtjeve

velika otpornost na smicanje relativno mala stišljivost mala propusnost mala osjetljivost na promjene vlažnosti

Prema svojstvima

koherentni materijali (glina niske do visoke plastičnosti s lt 10 pijeska male vodopropusnosti i srednje do velike stišljivosti)

nekoherentni materijali (sitnozrnati s lt 50 pijeska male stišljivosti) krupnozrnati materijali ( gt 50 šljunka mala stišljivost srednja čvrstoća na smicanje)

Prema mogućnostima ugradnje

neosjetljivi na održavanje vlažnosti (glinoviti materijali male do srednje vlažnosti) malo osjetljivi na vlažnost pri ugradnji (šljunak pijesak s malo praha) osjetljivi na vlažnost (prašinasti pijesak prah glinoviti prah) ndash mogućnost ugradbe u

uskom rasponu vlažnosti u odnosu na optimalnu

Prema namjeni

za otješnjenje i onemogućavanje procjeđivanja akumulirane vode za potporne zone ndash gotovo svi drenirajući i filtarski slojevi za zaštitnu oblogu uzvodnog i nizvodnog pokosa ndash otporni na eroziju balastni materijali ndash osiguranje od klizanja

25

Treba osigurati

vodonepropusnost tijela brane vodonepropusnost temeljnog tla

Treba osigurati hidrauličku stabilnost brane

zaštitu od unutrašnje erozije zaštitu od regresivne erozije

UNUTRAŠNJA EROZIJA

unutrašnja erozija je ispiranje čestica sitnijeg materijala kroz šupljine većih čestica bolja zbijenost materijala manja mogućnost ispiranja čestica do unutrašnje erozije dolazi na kontaktu različitih materijala Za spriječavanje

unutrašnje erozije izvode se zaštitni filtarski slojevi Moguće je izvesti jedan ili više filtarskih slojeva

svrha filtarskih slojeva je da spriječe unutrašnju eroziju brane i pronošenje sitnih čestica u smjeru toka vode uključujući i slobodne površine na kojima voda izvire

Filtarski slojevi trebaju ispunjavati slijedeće uvjeteo propusnost filtra treba biti znatno veća od propusnosti materijala iz kojeg

voda dotječeo granulacija filtarskih slojeva mora biti takva da spriječi dalje prenošenje sitnih

čestica kroz filtaro granulacija materijala filtra ne smije dozvoliti unutrašnju eroziju filtra

FILTARSKO PRAVILO (definirano normom HRN)

(F ndash filtarski materijal O ndash bazni materijal tlo jezgra prethodni filtarski sloj)

a) D15F D 15

O gt5 - onemogućava se začepljenje filtra

b) D15F D 85

O le5 - onemogućava se ispiranje

c) D85O otvor ge2 - promjer zrna 2 puta veći od otvora na drenažnoj cijevi

d) Što ujednačeniji granulometrijski sastav ndash da bi se ostvarila željena vodopropusnost i izbjegla segregacija pri čuvanju transportu i ugrađivanju)

26

REGRESIVNA EROZIJA ndash tunnelling efekt

Regresivna erozija nastaje na plohi na kojoj se pojavljuje tečenje vode (vrelna ploha) i tamo gdje su brzine veće od težina čestica pa se one iznose van

Ako je izlazni gradijent i veći od kritičnog izlaznog gradijenta iKR dolazi do regresivne erozije

i= ΔhΔL

iKR=(1minusn ) ∙ρmaterijalaminusρ v

ρv

igtiKR

n ndash mjera šupljikavosti

Izviranje vode na nizvodnoj kosini može se spriječiti ugradnjom drenažnog sustava Drenovi služe za odvodnju procjedne vode pri malom gradijentu i niskom strujnom

tlaku Zaštita nizvodnog pokosa i stabilnosti nožice ndash primjeri drenažnog sustava

27

ELEMENTI OBLIKOVANJA

1 ŠIRINA KRUNE (B)

Nema značajnijeg utjecaja na stabilnost Ovisi o mogućnosti kretanja strojeva uvjetima sigurnosti u potresnim zonama javna

prometnica

B=1+A ∙radicHA=11minus165

2 KOTA KRUNE (KK)

K K=kr+hm+hp+hd+hs+S

Kr ndash najviša radna kota

hm ndash debljina preljevnog mlaza pri dolasku velikih voda

hp ndash visina penjanja valova uz branu zbog pojave plime u smjeru potiskivanja vode vjetrom

hd ndash porast razine zbog plime

hs ndash porast razine zbog pojave polaganih oscilacija

S ndash sigurnosni dodatak (03 ndash 15 m)

hp=0005 ∙V 106 ∙ Le047

V ndash brzina vjetra u kms

V = kVo Vo ndash brzina mjerena na kopnu

k = 103 ndash 13 Le ndash efikasna duljina razmaha vjetra

28

hd=V 2 ∙ L63 ∙D

∙10minus4 ∙ cosα

D ndash dubina (m)

α ndash kut mjerodavnog vjetra prema okomici na smjer brane

Nadvišenje krune brane ndash zbog konsolidacijskog slijeganja nakon izgradnje (hg = εH)

ε = 001

hgge001 ∙H

3 OBLIKOVANJE KOSINA

zadovoljavanje uvjeta stabilnosti pokosa na klizanje vodoravne berme koje prekidaju jednoliki nagib

uzvodni pokos ndash nasute brane mora biti zaštićen od djelovanja valova i atmosferilija (posebno leda) pa se oblaže kamenim nabačajem ili ako se koristi asfalt-betonski cement-betonski ili AB ekran tada on ima i zaštitnu funkciju

nizvodni pokos ndash zemljane nasute brane najčešće se zatravnjuje (nanošenje nanosa) Ako je brana kamena ne treba zatravnjivati iako se ponekad zatravnjuje iz estetskih razloga (uklapanje u okoliš npr brana na Lokvarskom jezeru)

29

PROCJEĐIVANJE

Q ndash protok kroz branu (jezgru) + protok kroz temeljno tlo

Osnovno pravilo ndash treba težiti da se tlakovi u jezgri i procjedna linija u nizvodnom potpornom tijelu snize na minimum a procjedne vode treba skupiti na dnu i preko zaštićenog drenažnog sustava izvesti izvan brane

Vodoravni zastor ndash produljenje puta procjeđivanja

Uspravna nepropusna brana ndash prekida vodoravni tok kroz propusne naslage usmjerava prema dolje ili zatvara presjek do nepropusne zone (čelično žmurje dijafragma od betona i AB)

Vododrživost temeljnog tla

djelomična ili potpuna zamjena tla ndash produženje jezgretemeljnog klina

uzvodni glineni zastor

30

dijafragma

injektiranje

NOSIVOST I STABILNOST

Brana preuzima hidrostatičko opterećenje i sa svojom vlastitom težinom prenosi ga na temeljno tlo

Mehanička stabilnost brana podrazumijeva

stabilnost kosina (pronalaženje kliznih ploha) stabilnost temeljnog tla

Stabilnost zemljanih nasipa (Coulomb 1773g) zakon otpora vezanog zemljišta na smicanje da je jednadžbom

τ=C+σ ∙tgφ

tj kohezijom (c = const) i unutarnjim trenjem (φ) a tgφ ovisi od normalnog naprezanja (σ) u ravnini smicanja

F s=τ f

τ= čvrstoćanasmicanje

otpor nasmicanje

Nasute brane su nepreljevne u smislu prelijevanja preko krune brane Koriste se bočni bunarski preljevi i sl Prelijevanje preko nasute brane pogotovo ukoliko je ono dugotrajno rezultira erodiranjem nizvodnog pokosa što može rezultirati rušenjem brane

Da se spriječi prelijevanje potrebno je dobro

odrediti visinu krune brane odrediti mjerodavni vodni val (velike vode) dimenzionirati izvesti i održavati evakuacijske organe

31

Ako je nizvodno područje naseljeno evakuacijski organi se dimenzioniraju na maksimalnu veliku vodu Ako je nizvodno područje nenaseljeno te pri poplavljivanju ne može doći do ugrožavanja ljudskih života evakuacijski organi se dimenzioniraju na 1000 ndash godišnju veliku vodu

32

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

14

6 BRANE

Brane su hidrotehničke građevine kojima se pregrađuju doline kako bi se voda zadržala radi obrane od poplava (usporavanja vode na željenoj koti) i omogućavanja iskorištenja vode

Podjela prema svrsinamjeni

Akumulacijske (jednonamjenske višenamjenske) Retencijske (privremeno zadržavanje vode) Zahvat vode (vodoopskrba navodnjavanje) Kanaliziranje rijeka (brane u nizu ndash veće dubineplovnost) Zadržavanje nanosa ndash pragovi

Jalovišta (nema u RH) Nasipi (obrana od poplava)

Podjela prema materijalu

BETONSKE BRANEo gravitacijske

o olakšane gravitacijske višelučne

raščlanjene (s kontraforima pločama i sl)

15

o lučne

o pokretne rječne

o prednapergnute

Gravitacijske brane ndash masivne pretežno betonske brane koje se utjecaju vanjskih sila suprostavljaju isključivo svojom težinom

Olakšane gravitacijske brane ndash kontrolne galerije (šupljine) smanjuju vlastitu težinu ali imaju znatno širu osnovicu (gt067 H) čime se osigurava stabilnost

Raščlanjene brane s kontraforima ndash olakšana brana sa širom osnovicom bolje podnosi potres i manji uzgon

Lučne brane ndash brane čiji je horizontalni presjek krivolinijskog oblika (oblik luka) a opterećenje se prenosi na bokove

Višelučne brane ndash više lukova

16

Podjela prema veličini

velike brane H ge15m

5leH le15mako je V ak=3 ∙106m3

male brane ndash sve ostale

Podjela prema načinu prenošenja opterećenja

gravitacijske (a) lučne (b) kontraforne (c) kombinirane

Podjela prema utjecaju na rijeku

dolinska pregrada brana

Podjela prema evakuaciji vode

preljevne ndash preljev na tijelu brane nepreljevne ndash preljev izvan tijela brane

ELEMENTI BRANE

evakuacijski organ (preljev) slapište (bučnica) temeljni ispust

(pražnjenje vode i ispiranje nanosa) zahvat temelj kruna brane drenažni sustav injekcijska zavjesa nanos akumulacijski bazen komandna zgrada objekti za skretanje vodnog toka (za vrijeme građenja)

17

Treba se definirati

o os braneo građevinska visina brane (od temelja do krune)o hidraulička visina (razlika kote maksimalnog uspora i kote dna rijeke prije

izgradnje)o dužinu brane u kruni

Faktori koji utječu na izbor tipa brane

IZBOR (I)

NASUTE BRANEo Prednosti

minimalni zahtjevi kod temeljenja i prilagodljivosti skoro svim vrstama terena

mogućnost korištenja raznovrsnog i heterogenog materijala za nasip jeftino i brzo ugrađivanje

o Mane osjetljivost na prelijevanje osjetljivost na procjeđivanje i ispiranje materijala (unutrašnja erozija) za evakuaciju velikih voda potrebni su posebni betonski objekti izvan

brane veliki obim radova (zbog blagih kosina)

18

IZBOR (II)

BETONSKE BRANEo Prednosti

izdržljivost na prelijevanje i procjeđivanje male količine materijala (strm nagib)

o Mane visoki zahtjevi za temeljenje (visoka nosivost tla niska deformabilnost

ne u potresnoj zoni) visoka jedinična cijena (spor rad i brojna radna snaga) za lučne brane provjerava se odnos visine brane i širine doline

U cilju kontrole stanja brane zbog pravovremenog uočavanja promjena na brani i pravovremene provedbe eventualno potrebne sanacije provodi se tehničko promatranje (monitoring oskultacije) brane

vizualna kontrola (uočavanje svih vidljivih promjena naprimjer pukotina oštećenja) praćenje procjeđivanja i pritiska vode mjerenje horizontalnih i vertikalnih pomaka (slijegavanje brane)

61 NASUTE BRANE

Nasipi ndash građevine koje služe za regulaciju vodotoka i omeđivanje korita rijeka vrlo dugi i relativno niski

Nasute brane ndash relativno kratki i visoki nasipi

Nevezani materijal ndash NASUTE BRANEo Zemljane brane od prirodnih materijala

Homogenog presjeka bez zaptivnog tijela Heterogenog presjeka s nepropusnom glinenom vertikalnom ili kosom

jezgrom ili s jezgrom nekog drugog nepropusnog ili slabo propusnog materijala

o Od kamenog nabačaja s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom od prirodnih materijala s vertikalnom dijafragmom od umjetnih ili pripremljenih materijala s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski ljevani

asfalt geomembrane)

19

Vezani materijal ndash BETONSKE BRANE

o AB (rijetko)o od drugih materijala (u prošlosti) drvo metal zidanje

KRITERIJI KOJI MORAJU BITI ZADOVOLJENI

moraju izdržati hidrostatski tlak količina procjedne vode mora biti u prihvatljivim granicama procjeđivanje ne smije izazivati eroziju u brani ili temelju

IZBOR RJEŠENJA OVISI O

1 Sastavu i osobinama temeljnog tla čvrsto i otporno tlo rarr strmiji pokosi primjena materijala velike otpornosti na

smicanje (lomljeni kamen ili krupnozrnati šljunak) tlo veće stlačivosti i male otpornosti na smicanje ndash nagib pokosa mora biti

manji

2 Hidrogeološkim karakteristikama ndash ako su površinske naslage od jače propusnog materijala moguća su rješenja

zamjena propusnog materijala slabije propusnim sprječavanje procjeđivanja injekcijskom zavjesom ili kontinuiranom

dijafragmom nepropusni zastori vertikalne protufiltracijske konstrukcije nizvodna strana ndash drenažni bunari

20

IZBOR LOKACIJE

morfološke karakteristike profila geološke karakteristike ndash rasjedi diskontinuiteti mogućnost evakuacije velikih voda V ndash H odnos Odnos volumena brane i troškova građenja Uvjeti postavljanja hidrotehničkih građevina

Karakteristike

o velika vlastita težina koja se raspodjeljuje na veliku površinu pa se može raditi i na nepovoljnijem terenu (veće stišljivosti i male čvrstoće na smicanje)

o građevina mora biti tehnički sigurna i funkcionalna uz minimalne troškoveo prema materijalu homogene zonirane i nasute s uzvodnim nepropusnim

materijalom

O čemu ovisi odabir tipa brane

Ovisi o tome kakav materijal imamo na raspolaganju i kakve su karakteristike temeljnog tla

1 HOMOGENE ndash primjena samo jednog materijala dovoljno male propusnosti (glinoviti materijali pjeskovito prašinasti glinoviti šljunak) Homogenost nije apsolutna ndash anizotropija se javlja zbog ugradbe u slojevima Ne može se osigurati trajna stabilnost i mora imati drenove Blagi pokosi (nizvodni i uzvodni) jer slabo propusni materijali imaju manju čvrstoću na smicanje

21

DRENOVI

plošni ndash ispod nizvodnog dijela vertikalni ndash u sredini tijela brane spojen s nizvodnom stopom

usklađenost granulometrijskog sastava brane i drenova

Vertikalni dren

2 ZONIRANE ndash od materijala različitih svojstava koji se raspoređuju unutar presjeka tako da se njihove karakteristike optimalno iskoriste (stabilnost i ekonomičnost)

o materijali male propusnosti ndash mala otpornost na smicanjeo materijali veće propusnosti ndash veća otpornost na smicanje

22

Zonirane ndash više materijala koji imaju različite funkcije

o Jezgra ndash osigurava vodonepropusnost ima mali koeficijent provodljivosti i malu otpornost na smicanje ndash glinoviti i prašinasti materijali

o Potporne zone ndash osiguravaju jezgru i podupiru je i s uzvodne strane ndash veća propusnost veća otpornost na smicanje obično manje stlačivosti (zemlja kamen)

Položaj jezgre

- na uzvodnoj strani- u sredini uzvodnog klina- u sredini poprečnog presjeka

BRANE OD KAMENOG NABAČAJA

s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom (glina pjeskovita ilovača prašina) ili dijafragmom (geomembrane)

s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski lijevani asflat geomembrane)

23

Problemi

osjetljivost na uvjete ugradnjeo slabo propusni koherentni materijali mogu se ugrađivati u relativno uskim

granicama oko optimalne vlažnostiglinoviti materijali plusmn 5 oko srednje vrijednostiprašinasti materijali optimalna vlaga

na spoju različitih materijala mijenja se gradijent tlaka i procjedne vode što može izazvati ispiranje čestica sitnijih frakcija (erozija i degradacija jezgre)

- potrebna ugradnja FILTARSKIH SLOJEVA

Jezgra leži na betonskoj galeriji da bi se spriječila postupna erozija jezgre vodom koja bi se mogla zadržavati u temeljnoj stijeni

24

3 NASUTE BRANE S UZVODNIM NEPROPUSNIM MATERIJALOM

Kada u blizini nema materijala za jezgru odgovarajuće nepropusnosti ili su klimatski uvjeti nepovoljni za građenje Nepropusni ekran ndash AB asfalt-beton čelični lim

osjetljivost na termičke promjene osjetljivost zbog različitog ponašanja nasutog materijala i materijala obloge osjetljivost zbog kombinacije prirodnog i umjetnog materijala

MATERIJALI ZA NASIPAVANJE ndash moraju zadovoljiti kontradiktorne zahtjeve

velika otpornost na smicanje relativno mala stišljivost mala propusnost mala osjetljivost na promjene vlažnosti

Prema svojstvima

koherentni materijali (glina niske do visoke plastičnosti s lt 10 pijeska male vodopropusnosti i srednje do velike stišljivosti)

nekoherentni materijali (sitnozrnati s lt 50 pijeska male stišljivosti) krupnozrnati materijali ( gt 50 šljunka mala stišljivost srednja čvrstoća na smicanje)

Prema mogućnostima ugradnje

neosjetljivi na održavanje vlažnosti (glinoviti materijali male do srednje vlažnosti) malo osjetljivi na vlažnost pri ugradnji (šljunak pijesak s malo praha) osjetljivi na vlažnost (prašinasti pijesak prah glinoviti prah) ndash mogućnost ugradbe u

uskom rasponu vlažnosti u odnosu na optimalnu

Prema namjeni

za otješnjenje i onemogućavanje procjeđivanja akumulirane vode za potporne zone ndash gotovo svi drenirajući i filtarski slojevi za zaštitnu oblogu uzvodnog i nizvodnog pokosa ndash otporni na eroziju balastni materijali ndash osiguranje od klizanja

25

Treba osigurati

vodonepropusnost tijela brane vodonepropusnost temeljnog tla

Treba osigurati hidrauličku stabilnost brane

zaštitu od unutrašnje erozije zaštitu od regresivne erozije

UNUTRAŠNJA EROZIJA

unutrašnja erozija je ispiranje čestica sitnijeg materijala kroz šupljine većih čestica bolja zbijenost materijala manja mogućnost ispiranja čestica do unutrašnje erozije dolazi na kontaktu različitih materijala Za spriječavanje

unutrašnje erozije izvode se zaštitni filtarski slojevi Moguće je izvesti jedan ili više filtarskih slojeva

svrha filtarskih slojeva je da spriječe unutrašnju eroziju brane i pronošenje sitnih čestica u smjeru toka vode uključujući i slobodne površine na kojima voda izvire

Filtarski slojevi trebaju ispunjavati slijedeće uvjeteo propusnost filtra treba biti znatno veća od propusnosti materijala iz kojeg

voda dotječeo granulacija filtarskih slojeva mora biti takva da spriječi dalje prenošenje sitnih

čestica kroz filtaro granulacija materijala filtra ne smije dozvoliti unutrašnju eroziju filtra

FILTARSKO PRAVILO (definirano normom HRN)

(F ndash filtarski materijal O ndash bazni materijal tlo jezgra prethodni filtarski sloj)

a) D15F D 15

O gt5 - onemogućava se začepljenje filtra

b) D15F D 85

O le5 - onemogućava se ispiranje

c) D85O otvor ge2 - promjer zrna 2 puta veći od otvora na drenažnoj cijevi

d) Što ujednačeniji granulometrijski sastav ndash da bi se ostvarila željena vodopropusnost i izbjegla segregacija pri čuvanju transportu i ugrađivanju)

26

REGRESIVNA EROZIJA ndash tunnelling efekt

Regresivna erozija nastaje na plohi na kojoj se pojavljuje tečenje vode (vrelna ploha) i tamo gdje su brzine veće od težina čestica pa se one iznose van

Ako je izlazni gradijent i veći od kritičnog izlaznog gradijenta iKR dolazi do regresivne erozije

i= ΔhΔL

iKR=(1minusn ) ∙ρmaterijalaminusρ v

ρv

igtiKR

n ndash mjera šupljikavosti

Izviranje vode na nizvodnoj kosini može se spriječiti ugradnjom drenažnog sustava Drenovi služe za odvodnju procjedne vode pri malom gradijentu i niskom strujnom

tlaku Zaštita nizvodnog pokosa i stabilnosti nožice ndash primjeri drenažnog sustava

27

ELEMENTI OBLIKOVANJA

1 ŠIRINA KRUNE (B)

Nema značajnijeg utjecaja na stabilnost Ovisi o mogućnosti kretanja strojeva uvjetima sigurnosti u potresnim zonama javna

prometnica

B=1+A ∙radicHA=11minus165

2 KOTA KRUNE (KK)

K K=kr+hm+hp+hd+hs+S

Kr ndash najviša radna kota

hm ndash debljina preljevnog mlaza pri dolasku velikih voda

hp ndash visina penjanja valova uz branu zbog pojave plime u smjeru potiskivanja vode vjetrom

hd ndash porast razine zbog plime

hs ndash porast razine zbog pojave polaganih oscilacija

S ndash sigurnosni dodatak (03 ndash 15 m)

hp=0005 ∙V 106 ∙ Le047

V ndash brzina vjetra u kms

V = kVo Vo ndash brzina mjerena na kopnu

k = 103 ndash 13 Le ndash efikasna duljina razmaha vjetra

28

hd=V 2 ∙ L63 ∙D

∙10minus4 ∙ cosα

D ndash dubina (m)

α ndash kut mjerodavnog vjetra prema okomici na smjer brane

Nadvišenje krune brane ndash zbog konsolidacijskog slijeganja nakon izgradnje (hg = εH)

ε = 001

hgge001 ∙H

3 OBLIKOVANJE KOSINA

zadovoljavanje uvjeta stabilnosti pokosa na klizanje vodoravne berme koje prekidaju jednoliki nagib

uzvodni pokos ndash nasute brane mora biti zaštićen od djelovanja valova i atmosferilija (posebno leda) pa se oblaže kamenim nabačajem ili ako se koristi asfalt-betonski cement-betonski ili AB ekran tada on ima i zaštitnu funkciju

nizvodni pokos ndash zemljane nasute brane najčešće se zatravnjuje (nanošenje nanosa) Ako je brana kamena ne treba zatravnjivati iako se ponekad zatravnjuje iz estetskih razloga (uklapanje u okoliš npr brana na Lokvarskom jezeru)

29

PROCJEĐIVANJE

Q ndash protok kroz branu (jezgru) + protok kroz temeljno tlo

Osnovno pravilo ndash treba težiti da se tlakovi u jezgri i procjedna linija u nizvodnom potpornom tijelu snize na minimum a procjedne vode treba skupiti na dnu i preko zaštićenog drenažnog sustava izvesti izvan brane

Vodoravni zastor ndash produljenje puta procjeđivanja

Uspravna nepropusna brana ndash prekida vodoravni tok kroz propusne naslage usmjerava prema dolje ili zatvara presjek do nepropusne zone (čelično žmurje dijafragma od betona i AB)

Vododrživost temeljnog tla

djelomična ili potpuna zamjena tla ndash produženje jezgretemeljnog klina

uzvodni glineni zastor

30

dijafragma

injektiranje

NOSIVOST I STABILNOST

Brana preuzima hidrostatičko opterećenje i sa svojom vlastitom težinom prenosi ga na temeljno tlo

Mehanička stabilnost brana podrazumijeva

stabilnost kosina (pronalaženje kliznih ploha) stabilnost temeljnog tla

Stabilnost zemljanih nasipa (Coulomb 1773g) zakon otpora vezanog zemljišta na smicanje da je jednadžbom

τ=C+σ ∙tgφ

tj kohezijom (c = const) i unutarnjim trenjem (φ) a tgφ ovisi od normalnog naprezanja (σ) u ravnini smicanja

F s=τ f

τ= čvrstoćanasmicanje

otpor nasmicanje

Nasute brane su nepreljevne u smislu prelijevanja preko krune brane Koriste se bočni bunarski preljevi i sl Prelijevanje preko nasute brane pogotovo ukoliko je ono dugotrajno rezultira erodiranjem nizvodnog pokosa što može rezultirati rušenjem brane

Da se spriječi prelijevanje potrebno je dobro

odrediti visinu krune brane odrediti mjerodavni vodni val (velike vode) dimenzionirati izvesti i održavati evakuacijske organe

31

Ako je nizvodno područje naseljeno evakuacijski organi se dimenzioniraju na maksimalnu veliku vodu Ako je nizvodno područje nenaseljeno te pri poplavljivanju ne može doći do ugrožavanja ljudskih života evakuacijski organi se dimenzioniraju na 1000 ndash godišnju veliku vodu

32

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

6 BRANE

Brane su hidrotehničke građevine kojima se pregrađuju doline kako bi se voda zadržala radi obrane od poplava (usporavanja vode na željenoj koti) i omogućavanja iskorištenja vode

Podjela prema svrsinamjeni

Akumulacijske (jednonamjenske višenamjenske) Retencijske (privremeno zadržavanje vode) Zahvat vode (vodoopskrba navodnjavanje) Kanaliziranje rijeka (brane u nizu ndash veće dubineplovnost) Zadržavanje nanosa ndash pragovi

Jalovišta (nema u RH) Nasipi (obrana od poplava)

Podjela prema materijalu

BETONSKE BRANEo gravitacijske

o olakšane gravitacijske višelučne

raščlanjene (s kontraforima pločama i sl)

15

o lučne

o pokretne rječne

o prednapergnute

Gravitacijske brane ndash masivne pretežno betonske brane koje se utjecaju vanjskih sila suprostavljaju isključivo svojom težinom

Olakšane gravitacijske brane ndash kontrolne galerije (šupljine) smanjuju vlastitu težinu ali imaju znatno širu osnovicu (gt067 H) čime se osigurava stabilnost

Raščlanjene brane s kontraforima ndash olakšana brana sa širom osnovicom bolje podnosi potres i manji uzgon

Lučne brane ndash brane čiji je horizontalni presjek krivolinijskog oblika (oblik luka) a opterećenje se prenosi na bokove

Višelučne brane ndash više lukova

16

Podjela prema veličini

velike brane H ge15m

5leH le15mako je V ak=3 ∙106m3

male brane ndash sve ostale

Podjela prema načinu prenošenja opterećenja

gravitacijske (a) lučne (b) kontraforne (c) kombinirane

Podjela prema utjecaju na rijeku

dolinska pregrada brana

Podjela prema evakuaciji vode

preljevne ndash preljev na tijelu brane nepreljevne ndash preljev izvan tijela brane

ELEMENTI BRANE

evakuacijski organ (preljev) slapište (bučnica) temeljni ispust

(pražnjenje vode i ispiranje nanosa) zahvat temelj kruna brane drenažni sustav injekcijska zavjesa nanos akumulacijski bazen komandna zgrada objekti za skretanje vodnog toka (za vrijeme građenja)

17

Treba se definirati

o os braneo građevinska visina brane (od temelja do krune)o hidraulička visina (razlika kote maksimalnog uspora i kote dna rijeke prije

izgradnje)o dužinu brane u kruni

Faktori koji utječu na izbor tipa brane

IZBOR (I)

NASUTE BRANEo Prednosti

minimalni zahtjevi kod temeljenja i prilagodljivosti skoro svim vrstama terena

mogućnost korištenja raznovrsnog i heterogenog materijala za nasip jeftino i brzo ugrađivanje

o Mane osjetljivost na prelijevanje osjetljivost na procjeđivanje i ispiranje materijala (unutrašnja erozija) za evakuaciju velikih voda potrebni su posebni betonski objekti izvan

brane veliki obim radova (zbog blagih kosina)

18

IZBOR (II)

BETONSKE BRANEo Prednosti

izdržljivost na prelijevanje i procjeđivanje male količine materijala (strm nagib)

o Mane visoki zahtjevi za temeljenje (visoka nosivost tla niska deformabilnost

ne u potresnoj zoni) visoka jedinična cijena (spor rad i brojna radna snaga) za lučne brane provjerava se odnos visine brane i širine doline

U cilju kontrole stanja brane zbog pravovremenog uočavanja promjena na brani i pravovremene provedbe eventualno potrebne sanacije provodi se tehničko promatranje (monitoring oskultacije) brane

vizualna kontrola (uočavanje svih vidljivih promjena naprimjer pukotina oštećenja) praćenje procjeđivanja i pritiska vode mjerenje horizontalnih i vertikalnih pomaka (slijegavanje brane)

61 NASUTE BRANE

Nasipi ndash građevine koje služe za regulaciju vodotoka i omeđivanje korita rijeka vrlo dugi i relativno niski

Nasute brane ndash relativno kratki i visoki nasipi

Nevezani materijal ndash NASUTE BRANEo Zemljane brane od prirodnih materijala

Homogenog presjeka bez zaptivnog tijela Heterogenog presjeka s nepropusnom glinenom vertikalnom ili kosom

jezgrom ili s jezgrom nekog drugog nepropusnog ili slabo propusnog materijala

o Od kamenog nabačaja s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom od prirodnih materijala s vertikalnom dijafragmom od umjetnih ili pripremljenih materijala s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski ljevani

asfalt geomembrane)

19

Vezani materijal ndash BETONSKE BRANE

o AB (rijetko)o od drugih materijala (u prošlosti) drvo metal zidanje

KRITERIJI KOJI MORAJU BITI ZADOVOLJENI

moraju izdržati hidrostatski tlak količina procjedne vode mora biti u prihvatljivim granicama procjeđivanje ne smije izazivati eroziju u brani ili temelju

IZBOR RJEŠENJA OVISI O

1 Sastavu i osobinama temeljnog tla čvrsto i otporno tlo rarr strmiji pokosi primjena materijala velike otpornosti na

smicanje (lomljeni kamen ili krupnozrnati šljunak) tlo veće stlačivosti i male otpornosti na smicanje ndash nagib pokosa mora biti

manji

2 Hidrogeološkim karakteristikama ndash ako su površinske naslage od jače propusnog materijala moguća su rješenja

zamjena propusnog materijala slabije propusnim sprječavanje procjeđivanja injekcijskom zavjesom ili kontinuiranom

dijafragmom nepropusni zastori vertikalne protufiltracijske konstrukcije nizvodna strana ndash drenažni bunari

20

IZBOR LOKACIJE

morfološke karakteristike profila geološke karakteristike ndash rasjedi diskontinuiteti mogućnost evakuacije velikih voda V ndash H odnos Odnos volumena brane i troškova građenja Uvjeti postavljanja hidrotehničkih građevina

Karakteristike

o velika vlastita težina koja se raspodjeljuje na veliku površinu pa se može raditi i na nepovoljnijem terenu (veće stišljivosti i male čvrstoće na smicanje)

o građevina mora biti tehnički sigurna i funkcionalna uz minimalne troškoveo prema materijalu homogene zonirane i nasute s uzvodnim nepropusnim

materijalom

O čemu ovisi odabir tipa brane

Ovisi o tome kakav materijal imamo na raspolaganju i kakve su karakteristike temeljnog tla

1 HOMOGENE ndash primjena samo jednog materijala dovoljno male propusnosti (glinoviti materijali pjeskovito prašinasti glinoviti šljunak) Homogenost nije apsolutna ndash anizotropija se javlja zbog ugradbe u slojevima Ne može se osigurati trajna stabilnost i mora imati drenove Blagi pokosi (nizvodni i uzvodni) jer slabo propusni materijali imaju manju čvrstoću na smicanje

21

DRENOVI

plošni ndash ispod nizvodnog dijela vertikalni ndash u sredini tijela brane spojen s nizvodnom stopom

usklađenost granulometrijskog sastava brane i drenova

Vertikalni dren

2 ZONIRANE ndash od materijala različitih svojstava koji se raspoređuju unutar presjeka tako da se njihove karakteristike optimalno iskoriste (stabilnost i ekonomičnost)

o materijali male propusnosti ndash mala otpornost na smicanjeo materijali veće propusnosti ndash veća otpornost na smicanje

22

Zonirane ndash više materijala koji imaju različite funkcije

o Jezgra ndash osigurava vodonepropusnost ima mali koeficijent provodljivosti i malu otpornost na smicanje ndash glinoviti i prašinasti materijali

o Potporne zone ndash osiguravaju jezgru i podupiru je i s uzvodne strane ndash veća propusnost veća otpornost na smicanje obično manje stlačivosti (zemlja kamen)

Položaj jezgre

- na uzvodnoj strani- u sredini uzvodnog klina- u sredini poprečnog presjeka

BRANE OD KAMENOG NABAČAJA

s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom (glina pjeskovita ilovača prašina) ili dijafragmom (geomembrane)

s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski lijevani asflat geomembrane)

23

Problemi

osjetljivost na uvjete ugradnjeo slabo propusni koherentni materijali mogu se ugrađivati u relativno uskim

granicama oko optimalne vlažnostiglinoviti materijali plusmn 5 oko srednje vrijednostiprašinasti materijali optimalna vlaga

na spoju različitih materijala mijenja se gradijent tlaka i procjedne vode što može izazvati ispiranje čestica sitnijih frakcija (erozija i degradacija jezgre)

- potrebna ugradnja FILTARSKIH SLOJEVA

Jezgra leži na betonskoj galeriji da bi se spriječila postupna erozija jezgre vodom koja bi se mogla zadržavati u temeljnoj stijeni

24

3 NASUTE BRANE S UZVODNIM NEPROPUSNIM MATERIJALOM

Kada u blizini nema materijala za jezgru odgovarajuće nepropusnosti ili su klimatski uvjeti nepovoljni za građenje Nepropusni ekran ndash AB asfalt-beton čelični lim

osjetljivost na termičke promjene osjetljivost zbog različitog ponašanja nasutog materijala i materijala obloge osjetljivost zbog kombinacije prirodnog i umjetnog materijala

MATERIJALI ZA NASIPAVANJE ndash moraju zadovoljiti kontradiktorne zahtjeve

velika otpornost na smicanje relativno mala stišljivost mala propusnost mala osjetljivost na promjene vlažnosti

Prema svojstvima

koherentni materijali (glina niske do visoke plastičnosti s lt 10 pijeska male vodopropusnosti i srednje do velike stišljivosti)

nekoherentni materijali (sitnozrnati s lt 50 pijeska male stišljivosti) krupnozrnati materijali ( gt 50 šljunka mala stišljivost srednja čvrstoća na smicanje)

Prema mogućnostima ugradnje

neosjetljivi na održavanje vlažnosti (glinoviti materijali male do srednje vlažnosti) malo osjetljivi na vlažnost pri ugradnji (šljunak pijesak s malo praha) osjetljivi na vlažnost (prašinasti pijesak prah glinoviti prah) ndash mogućnost ugradbe u

uskom rasponu vlažnosti u odnosu na optimalnu

Prema namjeni

za otješnjenje i onemogućavanje procjeđivanja akumulirane vode za potporne zone ndash gotovo svi drenirajući i filtarski slojevi za zaštitnu oblogu uzvodnog i nizvodnog pokosa ndash otporni na eroziju balastni materijali ndash osiguranje od klizanja

25

Treba osigurati

vodonepropusnost tijela brane vodonepropusnost temeljnog tla

Treba osigurati hidrauličku stabilnost brane

zaštitu od unutrašnje erozije zaštitu od regresivne erozije

UNUTRAŠNJA EROZIJA

unutrašnja erozija je ispiranje čestica sitnijeg materijala kroz šupljine većih čestica bolja zbijenost materijala manja mogućnost ispiranja čestica do unutrašnje erozije dolazi na kontaktu različitih materijala Za spriječavanje

unutrašnje erozije izvode se zaštitni filtarski slojevi Moguće je izvesti jedan ili više filtarskih slojeva

svrha filtarskih slojeva je da spriječe unutrašnju eroziju brane i pronošenje sitnih čestica u smjeru toka vode uključujući i slobodne površine na kojima voda izvire

Filtarski slojevi trebaju ispunjavati slijedeće uvjeteo propusnost filtra treba biti znatno veća od propusnosti materijala iz kojeg

voda dotječeo granulacija filtarskih slojeva mora biti takva da spriječi dalje prenošenje sitnih

čestica kroz filtaro granulacija materijala filtra ne smije dozvoliti unutrašnju eroziju filtra

FILTARSKO PRAVILO (definirano normom HRN)

(F ndash filtarski materijal O ndash bazni materijal tlo jezgra prethodni filtarski sloj)

a) D15F D 15

O gt5 - onemogućava se začepljenje filtra

b) D15F D 85

O le5 - onemogućava se ispiranje

c) D85O otvor ge2 - promjer zrna 2 puta veći od otvora na drenažnoj cijevi

d) Što ujednačeniji granulometrijski sastav ndash da bi se ostvarila željena vodopropusnost i izbjegla segregacija pri čuvanju transportu i ugrađivanju)

26

REGRESIVNA EROZIJA ndash tunnelling efekt

Regresivna erozija nastaje na plohi na kojoj se pojavljuje tečenje vode (vrelna ploha) i tamo gdje su brzine veće od težina čestica pa se one iznose van

Ako je izlazni gradijent i veći od kritičnog izlaznog gradijenta iKR dolazi do regresivne erozije

i= ΔhΔL

iKR=(1minusn ) ∙ρmaterijalaminusρ v

ρv

igtiKR

n ndash mjera šupljikavosti

Izviranje vode na nizvodnoj kosini može se spriječiti ugradnjom drenažnog sustava Drenovi služe za odvodnju procjedne vode pri malom gradijentu i niskom strujnom

tlaku Zaštita nizvodnog pokosa i stabilnosti nožice ndash primjeri drenažnog sustava

27

ELEMENTI OBLIKOVANJA

1 ŠIRINA KRUNE (B)

Nema značajnijeg utjecaja na stabilnost Ovisi o mogućnosti kretanja strojeva uvjetima sigurnosti u potresnim zonama javna

prometnica

B=1+A ∙radicHA=11minus165

2 KOTA KRUNE (KK)

K K=kr+hm+hp+hd+hs+S

Kr ndash najviša radna kota

hm ndash debljina preljevnog mlaza pri dolasku velikih voda

hp ndash visina penjanja valova uz branu zbog pojave plime u smjeru potiskivanja vode vjetrom

hd ndash porast razine zbog plime

hs ndash porast razine zbog pojave polaganih oscilacija

S ndash sigurnosni dodatak (03 ndash 15 m)

hp=0005 ∙V 106 ∙ Le047

V ndash brzina vjetra u kms

V = kVo Vo ndash brzina mjerena na kopnu

k = 103 ndash 13 Le ndash efikasna duljina razmaha vjetra

28

hd=V 2 ∙ L63 ∙D

∙10minus4 ∙ cosα

D ndash dubina (m)

α ndash kut mjerodavnog vjetra prema okomici na smjer brane

Nadvišenje krune brane ndash zbog konsolidacijskog slijeganja nakon izgradnje (hg = εH)

ε = 001

hgge001 ∙H

3 OBLIKOVANJE KOSINA

zadovoljavanje uvjeta stabilnosti pokosa na klizanje vodoravne berme koje prekidaju jednoliki nagib

uzvodni pokos ndash nasute brane mora biti zaštićen od djelovanja valova i atmosferilija (posebno leda) pa se oblaže kamenim nabačajem ili ako se koristi asfalt-betonski cement-betonski ili AB ekran tada on ima i zaštitnu funkciju

nizvodni pokos ndash zemljane nasute brane najčešće se zatravnjuje (nanošenje nanosa) Ako je brana kamena ne treba zatravnjivati iako se ponekad zatravnjuje iz estetskih razloga (uklapanje u okoliš npr brana na Lokvarskom jezeru)

29

PROCJEĐIVANJE

Q ndash protok kroz branu (jezgru) + protok kroz temeljno tlo

Osnovno pravilo ndash treba težiti da se tlakovi u jezgri i procjedna linija u nizvodnom potpornom tijelu snize na minimum a procjedne vode treba skupiti na dnu i preko zaštićenog drenažnog sustava izvesti izvan brane

Vodoravni zastor ndash produljenje puta procjeđivanja

Uspravna nepropusna brana ndash prekida vodoravni tok kroz propusne naslage usmjerava prema dolje ili zatvara presjek do nepropusne zone (čelično žmurje dijafragma od betona i AB)

Vododrživost temeljnog tla

djelomična ili potpuna zamjena tla ndash produženje jezgretemeljnog klina

uzvodni glineni zastor

30

dijafragma

injektiranje

NOSIVOST I STABILNOST

Brana preuzima hidrostatičko opterećenje i sa svojom vlastitom težinom prenosi ga na temeljno tlo

Mehanička stabilnost brana podrazumijeva

stabilnost kosina (pronalaženje kliznih ploha) stabilnost temeljnog tla

Stabilnost zemljanih nasipa (Coulomb 1773g) zakon otpora vezanog zemljišta na smicanje da je jednadžbom

τ=C+σ ∙tgφ

tj kohezijom (c = const) i unutarnjim trenjem (φ) a tgφ ovisi od normalnog naprezanja (σ) u ravnini smicanja

F s=τ f

τ= čvrstoćanasmicanje

otpor nasmicanje

Nasute brane su nepreljevne u smislu prelijevanja preko krune brane Koriste se bočni bunarski preljevi i sl Prelijevanje preko nasute brane pogotovo ukoliko je ono dugotrajno rezultira erodiranjem nizvodnog pokosa što može rezultirati rušenjem brane

Da se spriječi prelijevanje potrebno je dobro

odrediti visinu krune brane odrediti mjerodavni vodni val (velike vode) dimenzionirati izvesti i održavati evakuacijske organe

31

Ako je nizvodno područje naseljeno evakuacijski organi se dimenzioniraju na maksimalnu veliku vodu Ako je nizvodno područje nenaseljeno te pri poplavljivanju ne može doći do ugrožavanja ljudskih života evakuacijski organi se dimenzioniraju na 1000 ndash godišnju veliku vodu

32

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

o lučne

o pokretne rječne

o prednapergnute

Gravitacijske brane ndash masivne pretežno betonske brane koje se utjecaju vanjskih sila suprostavljaju isključivo svojom težinom

Olakšane gravitacijske brane ndash kontrolne galerije (šupljine) smanjuju vlastitu težinu ali imaju znatno širu osnovicu (gt067 H) čime se osigurava stabilnost

Raščlanjene brane s kontraforima ndash olakšana brana sa širom osnovicom bolje podnosi potres i manji uzgon

Lučne brane ndash brane čiji je horizontalni presjek krivolinijskog oblika (oblik luka) a opterećenje se prenosi na bokove

Višelučne brane ndash više lukova

16

Podjela prema veličini

velike brane H ge15m

5leH le15mako je V ak=3 ∙106m3

male brane ndash sve ostale

Podjela prema načinu prenošenja opterećenja

gravitacijske (a) lučne (b) kontraforne (c) kombinirane

Podjela prema utjecaju na rijeku

dolinska pregrada brana

Podjela prema evakuaciji vode

preljevne ndash preljev na tijelu brane nepreljevne ndash preljev izvan tijela brane

ELEMENTI BRANE

evakuacijski organ (preljev) slapište (bučnica) temeljni ispust

(pražnjenje vode i ispiranje nanosa) zahvat temelj kruna brane drenažni sustav injekcijska zavjesa nanos akumulacijski bazen komandna zgrada objekti za skretanje vodnog toka (za vrijeme građenja)

17

Treba se definirati

o os braneo građevinska visina brane (od temelja do krune)o hidraulička visina (razlika kote maksimalnog uspora i kote dna rijeke prije

izgradnje)o dužinu brane u kruni

Faktori koji utječu na izbor tipa brane

IZBOR (I)

NASUTE BRANEo Prednosti

minimalni zahtjevi kod temeljenja i prilagodljivosti skoro svim vrstama terena

mogućnost korištenja raznovrsnog i heterogenog materijala za nasip jeftino i brzo ugrađivanje

o Mane osjetljivost na prelijevanje osjetljivost na procjeđivanje i ispiranje materijala (unutrašnja erozija) za evakuaciju velikih voda potrebni su posebni betonski objekti izvan

brane veliki obim radova (zbog blagih kosina)

18

IZBOR (II)

BETONSKE BRANEo Prednosti

izdržljivost na prelijevanje i procjeđivanje male količine materijala (strm nagib)

o Mane visoki zahtjevi za temeljenje (visoka nosivost tla niska deformabilnost

ne u potresnoj zoni) visoka jedinična cijena (spor rad i brojna radna snaga) za lučne brane provjerava se odnos visine brane i širine doline

U cilju kontrole stanja brane zbog pravovremenog uočavanja promjena na brani i pravovremene provedbe eventualno potrebne sanacije provodi se tehničko promatranje (monitoring oskultacije) brane

vizualna kontrola (uočavanje svih vidljivih promjena naprimjer pukotina oštećenja) praćenje procjeđivanja i pritiska vode mjerenje horizontalnih i vertikalnih pomaka (slijegavanje brane)

61 NASUTE BRANE

Nasipi ndash građevine koje služe za regulaciju vodotoka i omeđivanje korita rijeka vrlo dugi i relativno niski

Nasute brane ndash relativno kratki i visoki nasipi

Nevezani materijal ndash NASUTE BRANEo Zemljane brane od prirodnih materijala

Homogenog presjeka bez zaptivnog tijela Heterogenog presjeka s nepropusnom glinenom vertikalnom ili kosom

jezgrom ili s jezgrom nekog drugog nepropusnog ili slabo propusnog materijala

o Od kamenog nabačaja s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom od prirodnih materijala s vertikalnom dijafragmom od umjetnih ili pripremljenih materijala s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski ljevani

asfalt geomembrane)

19

Vezani materijal ndash BETONSKE BRANE

o AB (rijetko)o od drugih materijala (u prošlosti) drvo metal zidanje

KRITERIJI KOJI MORAJU BITI ZADOVOLJENI

moraju izdržati hidrostatski tlak količina procjedne vode mora biti u prihvatljivim granicama procjeđivanje ne smije izazivati eroziju u brani ili temelju

IZBOR RJEŠENJA OVISI O

1 Sastavu i osobinama temeljnog tla čvrsto i otporno tlo rarr strmiji pokosi primjena materijala velike otpornosti na

smicanje (lomljeni kamen ili krupnozrnati šljunak) tlo veće stlačivosti i male otpornosti na smicanje ndash nagib pokosa mora biti

manji

2 Hidrogeološkim karakteristikama ndash ako su površinske naslage od jače propusnog materijala moguća su rješenja

zamjena propusnog materijala slabije propusnim sprječavanje procjeđivanja injekcijskom zavjesom ili kontinuiranom

dijafragmom nepropusni zastori vertikalne protufiltracijske konstrukcije nizvodna strana ndash drenažni bunari

20

IZBOR LOKACIJE

morfološke karakteristike profila geološke karakteristike ndash rasjedi diskontinuiteti mogućnost evakuacije velikih voda V ndash H odnos Odnos volumena brane i troškova građenja Uvjeti postavljanja hidrotehničkih građevina

Karakteristike

o velika vlastita težina koja se raspodjeljuje na veliku površinu pa se može raditi i na nepovoljnijem terenu (veće stišljivosti i male čvrstoće na smicanje)

o građevina mora biti tehnički sigurna i funkcionalna uz minimalne troškoveo prema materijalu homogene zonirane i nasute s uzvodnim nepropusnim

materijalom

O čemu ovisi odabir tipa brane

Ovisi o tome kakav materijal imamo na raspolaganju i kakve su karakteristike temeljnog tla

1 HOMOGENE ndash primjena samo jednog materijala dovoljno male propusnosti (glinoviti materijali pjeskovito prašinasti glinoviti šljunak) Homogenost nije apsolutna ndash anizotropija se javlja zbog ugradbe u slojevima Ne može se osigurati trajna stabilnost i mora imati drenove Blagi pokosi (nizvodni i uzvodni) jer slabo propusni materijali imaju manju čvrstoću na smicanje

21

DRENOVI

plošni ndash ispod nizvodnog dijela vertikalni ndash u sredini tijela brane spojen s nizvodnom stopom

usklađenost granulometrijskog sastava brane i drenova

Vertikalni dren

2 ZONIRANE ndash od materijala različitih svojstava koji se raspoređuju unutar presjeka tako da se njihove karakteristike optimalno iskoriste (stabilnost i ekonomičnost)

o materijali male propusnosti ndash mala otpornost na smicanjeo materijali veće propusnosti ndash veća otpornost na smicanje

22

Zonirane ndash više materijala koji imaju različite funkcije

o Jezgra ndash osigurava vodonepropusnost ima mali koeficijent provodljivosti i malu otpornost na smicanje ndash glinoviti i prašinasti materijali

o Potporne zone ndash osiguravaju jezgru i podupiru je i s uzvodne strane ndash veća propusnost veća otpornost na smicanje obično manje stlačivosti (zemlja kamen)

Položaj jezgre

- na uzvodnoj strani- u sredini uzvodnog klina- u sredini poprečnog presjeka

BRANE OD KAMENOG NABAČAJA

s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom (glina pjeskovita ilovača prašina) ili dijafragmom (geomembrane)

s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski lijevani asflat geomembrane)

23

Problemi

osjetljivost na uvjete ugradnjeo slabo propusni koherentni materijali mogu se ugrađivati u relativno uskim

granicama oko optimalne vlažnostiglinoviti materijali plusmn 5 oko srednje vrijednostiprašinasti materijali optimalna vlaga

na spoju različitih materijala mijenja se gradijent tlaka i procjedne vode što može izazvati ispiranje čestica sitnijih frakcija (erozija i degradacija jezgre)

- potrebna ugradnja FILTARSKIH SLOJEVA

Jezgra leži na betonskoj galeriji da bi se spriječila postupna erozija jezgre vodom koja bi se mogla zadržavati u temeljnoj stijeni

24

3 NASUTE BRANE S UZVODNIM NEPROPUSNIM MATERIJALOM

Kada u blizini nema materijala za jezgru odgovarajuće nepropusnosti ili su klimatski uvjeti nepovoljni za građenje Nepropusni ekran ndash AB asfalt-beton čelični lim

osjetljivost na termičke promjene osjetljivost zbog različitog ponašanja nasutog materijala i materijala obloge osjetljivost zbog kombinacije prirodnog i umjetnog materijala

MATERIJALI ZA NASIPAVANJE ndash moraju zadovoljiti kontradiktorne zahtjeve

velika otpornost na smicanje relativno mala stišljivost mala propusnost mala osjetljivost na promjene vlažnosti

Prema svojstvima

koherentni materijali (glina niske do visoke plastičnosti s lt 10 pijeska male vodopropusnosti i srednje do velike stišljivosti)

nekoherentni materijali (sitnozrnati s lt 50 pijeska male stišljivosti) krupnozrnati materijali ( gt 50 šljunka mala stišljivost srednja čvrstoća na smicanje)

Prema mogućnostima ugradnje

neosjetljivi na održavanje vlažnosti (glinoviti materijali male do srednje vlažnosti) malo osjetljivi na vlažnost pri ugradnji (šljunak pijesak s malo praha) osjetljivi na vlažnost (prašinasti pijesak prah glinoviti prah) ndash mogućnost ugradbe u

uskom rasponu vlažnosti u odnosu na optimalnu

Prema namjeni

za otješnjenje i onemogućavanje procjeđivanja akumulirane vode za potporne zone ndash gotovo svi drenirajući i filtarski slojevi za zaštitnu oblogu uzvodnog i nizvodnog pokosa ndash otporni na eroziju balastni materijali ndash osiguranje od klizanja

25

Treba osigurati

vodonepropusnost tijela brane vodonepropusnost temeljnog tla

Treba osigurati hidrauličku stabilnost brane

zaštitu od unutrašnje erozije zaštitu od regresivne erozije

UNUTRAŠNJA EROZIJA

unutrašnja erozija je ispiranje čestica sitnijeg materijala kroz šupljine većih čestica bolja zbijenost materijala manja mogućnost ispiranja čestica do unutrašnje erozije dolazi na kontaktu različitih materijala Za spriječavanje

unutrašnje erozije izvode se zaštitni filtarski slojevi Moguće je izvesti jedan ili više filtarskih slojeva

svrha filtarskih slojeva je da spriječe unutrašnju eroziju brane i pronošenje sitnih čestica u smjeru toka vode uključujući i slobodne površine na kojima voda izvire

Filtarski slojevi trebaju ispunjavati slijedeće uvjeteo propusnost filtra treba biti znatno veća od propusnosti materijala iz kojeg

voda dotječeo granulacija filtarskih slojeva mora biti takva da spriječi dalje prenošenje sitnih

čestica kroz filtaro granulacija materijala filtra ne smije dozvoliti unutrašnju eroziju filtra

FILTARSKO PRAVILO (definirano normom HRN)

(F ndash filtarski materijal O ndash bazni materijal tlo jezgra prethodni filtarski sloj)

a) D15F D 15

O gt5 - onemogućava se začepljenje filtra

b) D15F D 85

O le5 - onemogućava se ispiranje

c) D85O otvor ge2 - promjer zrna 2 puta veći od otvora na drenažnoj cijevi

d) Što ujednačeniji granulometrijski sastav ndash da bi se ostvarila željena vodopropusnost i izbjegla segregacija pri čuvanju transportu i ugrađivanju)

26

REGRESIVNA EROZIJA ndash tunnelling efekt

Regresivna erozija nastaje na plohi na kojoj se pojavljuje tečenje vode (vrelna ploha) i tamo gdje su brzine veće od težina čestica pa se one iznose van

Ako je izlazni gradijent i veći od kritičnog izlaznog gradijenta iKR dolazi do regresivne erozije

i= ΔhΔL

iKR=(1minusn ) ∙ρmaterijalaminusρ v

ρv

igtiKR

n ndash mjera šupljikavosti

Izviranje vode na nizvodnoj kosini može se spriječiti ugradnjom drenažnog sustava Drenovi služe za odvodnju procjedne vode pri malom gradijentu i niskom strujnom

tlaku Zaštita nizvodnog pokosa i stabilnosti nožice ndash primjeri drenažnog sustava

27

ELEMENTI OBLIKOVANJA

1 ŠIRINA KRUNE (B)

Nema značajnijeg utjecaja na stabilnost Ovisi o mogućnosti kretanja strojeva uvjetima sigurnosti u potresnim zonama javna

prometnica

B=1+A ∙radicHA=11minus165

2 KOTA KRUNE (KK)

K K=kr+hm+hp+hd+hs+S

Kr ndash najviša radna kota

hm ndash debljina preljevnog mlaza pri dolasku velikih voda

hp ndash visina penjanja valova uz branu zbog pojave plime u smjeru potiskivanja vode vjetrom

hd ndash porast razine zbog plime

hs ndash porast razine zbog pojave polaganih oscilacija

S ndash sigurnosni dodatak (03 ndash 15 m)

hp=0005 ∙V 106 ∙ Le047

V ndash brzina vjetra u kms

V = kVo Vo ndash brzina mjerena na kopnu

k = 103 ndash 13 Le ndash efikasna duljina razmaha vjetra

28

hd=V 2 ∙ L63 ∙D

∙10minus4 ∙ cosα

D ndash dubina (m)

α ndash kut mjerodavnog vjetra prema okomici na smjer brane

Nadvišenje krune brane ndash zbog konsolidacijskog slijeganja nakon izgradnje (hg = εH)

ε = 001

hgge001 ∙H

3 OBLIKOVANJE KOSINA

zadovoljavanje uvjeta stabilnosti pokosa na klizanje vodoravne berme koje prekidaju jednoliki nagib

uzvodni pokos ndash nasute brane mora biti zaštićen od djelovanja valova i atmosferilija (posebno leda) pa se oblaže kamenim nabačajem ili ako se koristi asfalt-betonski cement-betonski ili AB ekran tada on ima i zaštitnu funkciju

nizvodni pokos ndash zemljane nasute brane najčešće se zatravnjuje (nanošenje nanosa) Ako je brana kamena ne treba zatravnjivati iako se ponekad zatravnjuje iz estetskih razloga (uklapanje u okoliš npr brana na Lokvarskom jezeru)

29

PROCJEĐIVANJE

Q ndash protok kroz branu (jezgru) + protok kroz temeljno tlo

Osnovno pravilo ndash treba težiti da se tlakovi u jezgri i procjedna linija u nizvodnom potpornom tijelu snize na minimum a procjedne vode treba skupiti na dnu i preko zaštićenog drenažnog sustava izvesti izvan brane

Vodoravni zastor ndash produljenje puta procjeđivanja

Uspravna nepropusna brana ndash prekida vodoravni tok kroz propusne naslage usmjerava prema dolje ili zatvara presjek do nepropusne zone (čelično žmurje dijafragma od betona i AB)

Vododrživost temeljnog tla

djelomična ili potpuna zamjena tla ndash produženje jezgretemeljnog klina

uzvodni glineni zastor

30

dijafragma

injektiranje

NOSIVOST I STABILNOST

Brana preuzima hidrostatičko opterećenje i sa svojom vlastitom težinom prenosi ga na temeljno tlo

Mehanička stabilnost brana podrazumijeva

stabilnost kosina (pronalaženje kliznih ploha) stabilnost temeljnog tla

Stabilnost zemljanih nasipa (Coulomb 1773g) zakon otpora vezanog zemljišta na smicanje da je jednadžbom

τ=C+σ ∙tgφ

tj kohezijom (c = const) i unutarnjim trenjem (φ) a tgφ ovisi od normalnog naprezanja (σ) u ravnini smicanja

F s=τ f

τ= čvrstoćanasmicanje

otpor nasmicanje

Nasute brane su nepreljevne u smislu prelijevanja preko krune brane Koriste se bočni bunarski preljevi i sl Prelijevanje preko nasute brane pogotovo ukoliko je ono dugotrajno rezultira erodiranjem nizvodnog pokosa što može rezultirati rušenjem brane

Da se spriječi prelijevanje potrebno je dobro

odrediti visinu krune brane odrediti mjerodavni vodni val (velike vode) dimenzionirati izvesti i održavati evakuacijske organe

31

Ako je nizvodno područje naseljeno evakuacijski organi se dimenzioniraju na maksimalnu veliku vodu Ako je nizvodno područje nenaseljeno te pri poplavljivanju ne može doći do ugrožavanja ljudskih života evakuacijski organi se dimenzioniraju na 1000 ndash godišnju veliku vodu

32

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

Podjela prema veličini

velike brane H ge15m

5leH le15mako je V ak=3 ∙106m3

male brane ndash sve ostale

Podjela prema načinu prenošenja opterećenja

gravitacijske (a) lučne (b) kontraforne (c) kombinirane

Podjela prema utjecaju na rijeku

dolinska pregrada brana

Podjela prema evakuaciji vode

preljevne ndash preljev na tijelu brane nepreljevne ndash preljev izvan tijela brane

ELEMENTI BRANE

evakuacijski organ (preljev) slapište (bučnica) temeljni ispust

(pražnjenje vode i ispiranje nanosa) zahvat temelj kruna brane drenažni sustav injekcijska zavjesa nanos akumulacijski bazen komandna zgrada objekti za skretanje vodnog toka (za vrijeme građenja)

17

Treba se definirati

o os braneo građevinska visina brane (od temelja do krune)o hidraulička visina (razlika kote maksimalnog uspora i kote dna rijeke prije

izgradnje)o dužinu brane u kruni

Faktori koji utječu na izbor tipa brane

IZBOR (I)

NASUTE BRANEo Prednosti

minimalni zahtjevi kod temeljenja i prilagodljivosti skoro svim vrstama terena

mogućnost korištenja raznovrsnog i heterogenog materijala za nasip jeftino i brzo ugrađivanje

o Mane osjetljivost na prelijevanje osjetljivost na procjeđivanje i ispiranje materijala (unutrašnja erozija) za evakuaciju velikih voda potrebni su posebni betonski objekti izvan

brane veliki obim radova (zbog blagih kosina)

18

IZBOR (II)

BETONSKE BRANEo Prednosti

izdržljivost na prelijevanje i procjeđivanje male količine materijala (strm nagib)

o Mane visoki zahtjevi za temeljenje (visoka nosivost tla niska deformabilnost

ne u potresnoj zoni) visoka jedinična cijena (spor rad i brojna radna snaga) za lučne brane provjerava se odnos visine brane i širine doline

U cilju kontrole stanja brane zbog pravovremenog uočavanja promjena na brani i pravovremene provedbe eventualno potrebne sanacije provodi se tehničko promatranje (monitoring oskultacije) brane

vizualna kontrola (uočavanje svih vidljivih promjena naprimjer pukotina oštećenja) praćenje procjeđivanja i pritiska vode mjerenje horizontalnih i vertikalnih pomaka (slijegavanje brane)

61 NASUTE BRANE

Nasipi ndash građevine koje služe za regulaciju vodotoka i omeđivanje korita rijeka vrlo dugi i relativno niski

Nasute brane ndash relativno kratki i visoki nasipi

Nevezani materijal ndash NASUTE BRANEo Zemljane brane od prirodnih materijala

Homogenog presjeka bez zaptivnog tijela Heterogenog presjeka s nepropusnom glinenom vertikalnom ili kosom

jezgrom ili s jezgrom nekog drugog nepropusnog ili slabo propusnog materijala

o Od kamenog nabačaja s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom od prirodnih materijala s vertikalnom dijafragmom od umjetnih ili pripremljenih materijala s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski ljevani

asfalt geomembrane)

19

Vezani materijal ndash BETONSKE BRANE

o AB (rijetko)o od drugih materijala (u prošlosti) drvo metal zidanje

KRITERIJI KOJI MORAJU BITI ZADOVOLJENI

moraju izdržati hidrostatski tlak količina procjedne vode mora biti u prihvatljivim granicama procjeđivanje ne smije izazivati eroziju u brani ili temelju

IZBOR RJEŠENJA OVISI O

1 Sastavu i osobinama temeljnog tla čvrsto i otporno tlo rarr strmiji pokosi primjena materijala velike otpornosti na

smicanje (lomljeni kamen ili krupnozrnati šljunak) tlo veće stlačivosti i male otpornosti na smicanje ndash nagib pokosa mora biti

manji

2 Hidrogeološkim karakteristikama ndash ako su površinske naslage od jače propusnog materijala moguća su rješenja

zamjena propusnog materijala slabije propusnim sprječavanje procjeđivanja injekcijskom zavjesom ili kontinuiranom

dijafragmom nepropusni zastori vertikalne protufiltracijske konstrukcije nizvodna strana ndash drenažni bunari

20

IZBOR LOKACIJE

morfološke karakteristike profila geološke karakteristike ndash rasjedi diskontinuiteti mogućnost evakuacije velikih voda V ndash H odnos Odnos volumena brane i troškova građenja Uvjeti postavljanja hidrotehničkih građevina

Karakteristike

o velika vlastita težina koja se raspodjeljuje na veliku površinu pa se može raditi i na nepovoljnijem terenu (veće stišljivosti i male čvrstoće na smicanje)

o građevina mora biti tehnički sigurna i funkcionalna uz minimalne troškoveo prema materijalu homogene zonirane i nasute s uzvodnim nepropusnim

materijalom

O čemu ovisi odabir tipa brane

Ovisi o tome kakav materijal imamo na raspolaganju i kakve su karakteristike temeljnog tla

1 HOMOGENE ndash primjena samo jednog materijala dovoljno male propusnosti (glinoviti materijali pjeskovito prašinasti glinoviti šljunak) Homogenost nije apsolutna ndash anizotropija se javlja zbog ugradbe u slojevima Ne može se osigurati trajna stabilnost i mora imati drenove Blagi pokosi (nizvodni i uzvodni) jer slabo propusni materijali imaju manju čvrstoću na smicanje

21

DRENOVI

plošni ndash ispod nizvodnog dijela vertikalni ndash u sredini tijela brane spojen s nizvodnom stopom

usklađenost granulometrijskog sastava brane i drenova

Vertikalni dren

2 ZONIRANE ndash od materijala različitih svojstava koji se raspoređuju unutar presjeka tako da se njihove karakteristike optimalno iskoriste (stabilnost i ekonomičnost)

o materijali male propusnosti ndash mala otpornost na smicanjeo materijali veće propusnosti ndash veća otpornost na smicanje

22

Zonirane ndash više materijala koji imaju različite funkcije

o Jezgra ndash osigurava vodonepropusnost ima mali koeficijent provodljivosti i malu otpornost na smicanje ndash glinoviti i prašinasti materijali

o Potporne zone ndash osiguravaju jezgru i podupiru je i s uzvodne strane ndash veća propusnost veća otpornost na smicanje obično manje stlačivosti (zemlja kamen)

Položaj jezgre

- na uzvodnoj strani- u sredini uzvodnog klina- u sredini poprečnog presjeka

BRANE OD KAMENOG NABAČAJA

s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom (glina pjeskovita ilovača prašina) ili dijafragmom (geomembrane)

s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski lijevani asflat geomembrane)

23

Problemi

osjetljivost na uvjete ugradnjeo slabo propusni koherentni materijali mogu se ugrađivati u relativno uskim

granicama oko optimalne vlažnostiglinoviti materijali plusmn 5 oko srednje vrijednostiprašinasti materijali optimalna vlaga

na spoju različitih materijala mijenja se gradijent tlaka i procjedne vode što može izazvati ispiranje čestica sitnijih frakcija (erozija i degradacija jezgre)

- potrebna ugradnja FILTARSKIH SLOJEVA

Jezgra leži na betonskoj galeriji da bi se spriječila postupna erozija jezgre vodom koja bi se mogla zadržavati u temeljnoj stijeni

24

3 NASUTE BRANE S UZVODNIM NEPROPUSNIM MATERIJALOM

Kada u blizini nema materijala za jezgru odgovarajuće nepropusnosti ili su klimatski uvjeti nepovoljni za građenje Nepropusni ekran ndash AB asfalt-beton čelični lim

osjetljivost na termičke promjene osjetljivost zbog različitog ponašanja nasutog materijala i materijala obloge osjetljivost zbog kombinacije prirodnog i umjetnog materijala

MATERIJALI ZA NASIPAVANJE ndash moraju zadovoljiti kontradiktorne zahtjeve

velika otpornost na smicanje relativno mala stišljivost mala propusnost mala osjetljivost na promjene vlažnosti

Prema svojstvima

koherentni materijali (glina niske do visoke plastičnosti s lt 10 pijeska male vodopropusnosti i srednje do velike stišljivosti)

nekoherentni materijali (sitnozrnati s lt 50 pijeska male stišljivosti) krupnozrnati materijali ( gt 50 šljunka mala stišljivost srednja čvrstoća na smicanje)

Prema mogućnostima ugradnje

neosjetljivi na održavanje vlažnosti (glinoviti materijali male do srednje vlažnosti) malo osjetljivi na vlažnost pri ugradnji (šljunak pijesak s malo praha) osjetljivi na vlažnost (prašinasti pijesak prah glinoviti prah) ndash mogućnost ugradbe u

uskom rasponu vlažnosti u odnosu na optimalnu

Prema namjeni

za otješnjenje i onemogućavanje procjeđivanja akumulirane vode za potporne zone ndash gotovo svi drenirajući i filtarski slojevi za zaštitnu oblogu uzvodnog i nizvodnog pokosa ndash otporni na eroziju balastni materijali ndash osiguranje od klizanja

25

Treba osigurati

vodonepropusnost tijela brane vodonepropusnost temeljnog tla

Treba osigurati hidrauličku stabilnost brane

zaštitu od unutrašnje erozije zaštitu od regresivne erozije

UNUTRAŠNJA EROZIJA

unutrašnja erozija je ispiranje čestica sitnijeg materijala kroz šupljine većih čestica bolja zbijenost materijala manja mogućnost ispiranja čestica do unutrašnje erozije dolazi na kontaktu različitih materijala Za spriječavanje

unutrašnje erozije izvode se zaštitni filtarski slojevi Moguće je izvesti jedan ili više filtarskih slojeva

svrha filtarskih slojeva je da spriječe unutrašnju eroziju brane i pronošenje sitnih čestica u smjeru toka vode uključujući i slobodne površine na kojima voda izvire

Filtarski slojevi trebaju ispunjavati slijedeće uvjeteo propusnost filtra treba biti znatno veća od propusnosti materijala iz kojeg

voda dotječeo granulacija filtarskih slojeva mora biti takva da spriječi dalje prenošenje sitnih

čestica kroz filtaro granulacija materijala filtra ne smije dozvoliti unutrašnju eroziju filtra

FILTARSKO PRAVILO (definirano normom HRN)

(F ndash filtarski materijal O ndash bazni materijal tlo jezgra prethodni filtarski sloj)

a) D15F D 15

O gt5 - onemogućava se začepljenje filtra

b) D15F D 85

O le5 - onemogućava se ispiranje

c) D85O otvor ge2 - promjer zrna 2 puta veći od otvora na drenažnoj cijevi

d) Što ujednačeniji granulometrijski sastav ndash da bi se ostvarila željena vodopropusnost i izbjegla segregacija pri čuvanju transportu i ugrađivanju)

26

REGRESIVNA EROZIJA ndash tunnelling efekt

Regresivna erozija nastaje na plohi na kojoj se pojavljuje tečenje vode (vrelna ploha) i tamo gdje su brzine veće od težina čestica pa se one iznose van

Ako je izlazni gradijent i veći od kritičnog izlaznog gradijenta iKR dolazi do regresivne erozije

i= ΔhΔL

iKR=(1minusn ) ∙ρmaterijalaminusρ v

ρv

igtiKR

n ndash mjera šupljikavosti

Izviranje vode na nizvodnoj kosini može se spriječiti ugradnjom drenažnog sustava Drenovi služe za odvodnju procjedne vode pri malom gradijentu i niskom strujnom

tlaku Zaštita nizvodnog pokosa i stabilnosti nožice ndash primjeri drenažnog sustava

27

ELEMENTI OBLIKOVANJA

1 ŠIRINA KRUNE (B)

Nema značajnijeg utjecaja na stabilnost Ovisi o mogućnosti kretanja strojeva uvjetima sigurnosti u potresnim zonama javna

prometnica

B=1+A ∙radicHA=11minus165

2 KOTA KRUNE (KK)

K K=kr+hm+hp+hd+hs+S

Kr ndash najviša radna kota

hm ndash debljina preljevnog mlaza pri dolasku velikih voda

hp ndash visina penjanja valova uz branu zbog pojave plime u smjeru potiskivanja vode vjetrom

hd ndash porast razine zbog plime

hs ndash porast razine zbog pojave polaganih oscilacija

S ndash sigurnosni dodatak (03 ndash 15 m)

hp=0005 ∙V 106 ∙ Le047

V ndash brzina vjetra u kms

V = kVo Vo ndash brzina mjerena na kopnu

k = 103 ndash 13 Le ndash efikasna duljina razmaha vjetra

28

hd=V 2 ∙ L63 ∙D

∙10minus4 ∙ cosα

D ndash dubina (m)

α ndash kut mjerodavnog vjetra prema okomici na smjer brane

Nadvišenje krune brane ndash zbog konsolidacijskog slijeganja nakon izgradnje (hg = εH)

ε = 001

hgge001 ∙H

3 OBLIKOVANJE KOSINA

zadovoljavanje uvjeta stabilnosti pokosa na klizanje vodoravne berme koje prekidaju jednoliki nagib

uzvodni pokos ndash nasute brane mora biti zaštićen od djelovanja valova i atmosferilija (posebno leda) pa se oblaže kamenim nabačajem ili ako se koristi asfalt-betonski cement-betonski ili AB ekran tada on ima i zaštitnu funkciju

nizvodni pokos ndash zemljane nasute brane najčešće se zatravnjuje (nanošenje nanosa) Ako je brana kamena ne treba zatravnjivati iako se ponekad zatravnjuje iz estetskih razloga (uklapanje u okoliš npr brana na Lokvarskom jezeru)

29

PROCJEĐIVANJE

Q ndash protok kroz branu (jezgru) + protok kroz temeljno tlo

Osnovno pravilo ndash treba težiti da se tlakovi u jezgri i procjedna linija u nizvodnom potpornom tijelu snize na minimum a procjedne vode treba skupiti na dnu i preko zaštićenog drenažnog sustava izvesti izvan brane

Vodoravni zastor ndash produljenje puta procjeđivanja

Uspravna nepropusna brana ndash prekida vodoravni tok kroz propusne naslage usmjerava prema dolje ili zatvara presjek do nepropusne zone (čelično žmurje dijafragma od betona i AB)

Vododrživost temeljnog tla

djelomična ili potpuna zamjena tla ndash produženje jezgretemeljnog klina

uzvodni glineni zastor

30

dijafragma

injektiranje

NOSIVOST I STABILNOST

Brana preuzima hidrostatičko opterećenje i sa svojom vlastitom težinom prenosi ga na temeljno tlo

Mehanička stabilnost brana podrazumijeva

stabilnost kosina (pronalaženje kliznih ploha) stabilnost temeljnog tla

Stabilnost zemljanih nasipa (Coulomb 1773g) zakon otpora vezanog zemljišta na smicanje da je jednadžbom

τ=C+σ ∙tgφ

tj kohezijom (c = const) i unutarnjim trenjem (φ) a tgφ ovisi od normalnog naprezanja (σ) u ravnini smicanja

F s=τ f

τ= čvrstoćanasmicanje

otpor nasmicanje

Nasute brane su nepreljevne u smislu prelijevanja preko krune brane Koriste se bočni bunarski preljevi i sl Prelijevanje preko nasute brane pogotovo ukoliko je ono dugotrajno rezultira erodiranjem nizvodnog pokosa što može rezultirati rušenjem brane

Da se spriječi prelijevanje potrebno je dobro

odrediti visinu krune brane odrediti mjerodavni vodni val (velike vode) dimenzionirati izvesti i održavati evakuacijske organe

31

Ako je nizvodno područje naseljeno evakuacijski organi se dimenzioniraju na maksimalnu veliku vodu Ako je nizvodno područje nenaseljeno te pri poplavljivanju ne može doći do ugrožavanja ljudskih života evakuacijski organi se dimenzioniraju na 1000 ndash godišnju veliku vodu

32

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

Treba se definirati

o os braneo građevinska visina brane (od temelja do krune)o hidraulička visina (razlika kote maksimalnog uspora i kote dna rijeke prije

izgradnje)o dužinu brane u kruni

Faktori koji utječu na izbor tipa brane

IZBOR (I)

NASUTE BRANEo Prednosti

minimalni zahtjevi kod temeljenja i prilagodljivosti skoro svim vrstama terena

mogućnost korištenja raznovrsnog i heterogenog materijala za nasip jeftino i brzo ugrađivanje

o Mane osjetljivost na prelijevanje osjetljivost na procjeđivanje i ispiranje materijala (unutrašnja erozija) za evakuaciju velikih voda potrebni su posebni betonski objekti izvan

brane veliki obim radova (zbog blagih kosina)

18

IZBOR (II)

BETONSKE BRANEo Prednosti

izdržljivost na prelijevanje i procjeđivanje male količine materijala (strm nagib)

o Mane visoki zahtjevi za temeljenje (visoka nosivost tla niska deformabilnost

ne u potresnoj zoni) visoka jedinična cijena (spor rad i brojna radna snaga) za lučne brane provjerava se odnos visine brane i širine doline

U cilju kontrole stanja brane zbog pravovremenog uočavanja promjena na brani i pravovremene provedbe eventualno potrebne sanacije provodi se tehničko promatranje (monitoring oskultacije) brane

vizualna kontrola (uočavanje svih vidljivih promjena naprimjer pukotina oštećenja) praćenje procjeđivanja i pritiska vode mjerenje horizontalnih i vertikalnih pomaka (slijegavanje brane)

61 NASUTE BRANE

Nasipi ndash građevine koje služe za regulaciju vodotoka i omeđivanje korita rijeka vrlo dugi i relativno niski

Nasute brane ndash relativno kratki i visoki nasipi

Nevezani materijal ndash NASUTE BRANEo Zemljane brane od prirodnih materijala

Homogenog presjeka bez zaptivnog tijela Heterogenog presjeka s nepropusnom glinenom vertikalnom ili kosom

jezgrom ili s jezgrom nekog drugog nepropusnog ili slabo propusnog materijala

o Od kamenog nabačaja s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom od prirodnih materijala s vertikalnom dijafragmom od umjetnih ili pripremljenih materijala s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski ljevani

asfalt geomembrane)

19

Vezani materijal ndash BETONSKE BRANE

o AB (rijetko)o od drugih materijala (u prošlosti) drvo metal zidanje

KRITERIJI KOJI MORAJU BITI ZADOVOLJENI

moraju izdržati hidrostatski tlak količina procjedne vode mora biti u prihvatljivim granicama procjeđivanje ne smije izazivati eroziju u brani ili temelju

IZBOR RJEŠENJA OVISI O

1 Sastavu i osobinama temeljnog tla čvrsto i otporno tlo rarr strmiji pokosi primjena materijala velike otpornosti na

smicanje (lomljeni kamen ili krupnozrnati šljunak) tlo veće stlačivosti i male otpornosti na smicanje ndash nagib pokosa mora biti

manji

2 Hidrogeološkim karakteristikama ndash ako su površinske naslage od jače propusnog materijala moguća su rješenja

zamjena propusnog materijala slabije propusnim sprječavanje procjeđivanja injekcijskom zavjesom ili kontinuiranom

dijafragmom nepropusni zastori vertikalne protufiltracijske konstrukcije nizvodna strana ndash drenažni bunari

20

IZBOR LOKACIJE

morfološke karakteristike profila geološke karakteristike ndash rasjedi diskontinuiteti mogućnost evakuacije velikih voda V ndash H odnos Odnos volumena brane i troškova građenja Uvjeti postavljanja hidrotehničkih građevina

Karakteristike

o velika vlastita težina koja se raspodjeljuje na veliku površinu pa se može raditi i na nepovoljnijem terenu (veće stišljivosti i male čvrstoće na smicanje)

o građevina mora biti tehnički sigurna i funkcionalna uz minimalne troškoveo prema materijalu homogene zonirane i nasute s uzvodnim nepropusnim

materijalom

O čemu ovisi odabir tipa brane

Ovisi o tome kakav materijal imamo na raspolaganju i kakve su karakteristike temeljnog tla

1 HOMOGENE ndash primjena samo jednog materijala dovoljno male propusnosti (glinoviti materijali pjeskovito prašinasti glinoviti šljunak) Homogenost nije apsolutna ndash anizotropija se javlja zbog ugradbe u slojevima Ne može se osigurati trajna stabilnost i mora imati drenove Blagi pokosi (nizvodni i uzvodni) jer slabo propusni materijali imaju manju čvrstoću na smicanje

21

DRENOVI

plošni ndash ispod nizvodnog dijela vertikalni ndash u sredini tijela brane spojen s nizvodnom stopom

usklađenost granulometrijskog sastava brane i drenova

Vertikalni dren

2 ZONIRANE ndash od materijala različitih svojstava koji se raspoređuju unutar presjeka tako da se njihove karakteristike optimalno iskoriste (stabilnost i ekonomičnost)

o materijali male propusnosti ndash mala otpornost na smicanjeo materijali veće propusnosti ndash veća otpornost na smicanje

22

Zonirane ndash više materijala koji imaju različite funkcije

o Jezgra ndash osigurava vodonepropusnost ima mali koeficijent provodljivosti i malu otpornost na smicanje ndash glinoviti i prašinasti materijali

o Potporne zone ndash osiguravaju jezgru i podupiru je i s uzvodne strane ndash veća propusnost veća otpornost na smicanje obično manje stlačivosti (zemlja kamen)

Položaj jezgre

- na uzvodnoj strani- u sredini uzvodnog klina- u sredini poprečnog presjeka

BRANE OD KAMENOG NABAČAJA

s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom (glina pjeskovita ilovača prašina) ili dijafragmom (geomembrane)

s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski lijevani asflat geomembrane)

23

Problemi

osjetljivost na uvjete ugradnjeo slabo propusni koherentni materijali mogu se ugrađivati u relativno uskim

granicama oko optimalne vlažnostiglinoviti materijali plusmn 5 oko srednje vrijednostiprašinasti materijali optimalna vlaga

na spoju različitih materijala mijenja se gradijent tlaka i procjedne vode što može izazvati ispiranje čestica sitnijih frakcija (erozija i degradacija jezgre)

- potrebna ugradnja FILTARSKIH SLOJEVA

Jezgra leži na betonskoj galeriji da bi se spriječila postupna erozija jezgre vodom koja bi se mogla zadržavati u temeljnoj stijeni

24

3 NASUTE BRANE S UZVODNIM NEPROPUSNIM MATERIJALOM

Kada u blizini nema materijala za jezgru odgovarajuće nepropusnosti ili su klimatski uvjeti nepovoljni za građenje Nepropusni ekran ndash AB asfalt-beton čelični lim

osjetljivost na termičke promjene osjetljivost zbog različitog ponašanja nasutog materijala i materijala obloge osjetljivost zbog kombinacije prirodnog i umjetnog materijala

MATERIJALI ZA NASIPAVANJE ndash moraju zadovoljiti kontradiktorne zahtjeve

velika otpornost na smicanje relativno mala stišljivost mala propusnost mala osjetljivost na promjene vlažnosti

Prema svojstvima

koherentni materijali (glina niske do visoke plastičnosti s lt 10 pijeska male vodopropusnosti i srednje do velike stišljivosti)

nekoherentni materijali (sitnozrnati s lt 50 pijeska male stišljivosti) krupnozrnati materijali ( gt 50 šljunka mala stišljivost srednja čvrstoća na smicanje)

Prema mogućnostima ugradnje

neosjetljivi na održavanje vlažnosti (glinoviti materijali male do srednje vlažnosti) malo osjetljivi na vlažnost pri ugradnji (šljunak pijesak s malo praha) osjetljivi na vlažnost (prašinasti pijesak prah glinoviti prah) ndash mogućnost ugradbe u

uskom rasponu vlažnosti u odnosu na optimalnu

Prema namjeni

za otješnjenje i onemogućavanje procjeđivanja akumulirane vode za potporne zone ndash gotovo svi drenirajući i filtarski slojevi za zaštitnu oblogu uzvodnog i nizvodnog pokosa ndash otporni na eroziju balastni materijali ndash osiguranje od klizanja

25

Treba osigurati

vodonepropusnost tijela brane vodonepropusnost temeljnog tla

Treba osigurati hidrauličku stabilnost brane

zaštitu od unutrašnje erozije zaštitu od regresivne erozije

UNUTRAŠNJA EROZIJA

unutrašnja erozija je ispiranje čestica sitnijeg materijala kroz šupljine većih čestica bolja zbijenost materijala manja mogućnost ispiranja čestica do unutrašnje erozije dolazi na kontaktu različitih materijala Za spriječavanje

unutrašnje erozije izvode se zaštitni filtarski slojevi Moguće je izvesti jedan ili više filtarskih slojeva

svrha filtarskih slojeva je da spriječe unutrašnju eroziju brane i pronošenje sitnih čestica u smjeru toka vode uključujući i slobodne površine na kojima voda izvire

Filtarski slojevi trebaju ispunjavati slijedeće uvjeteo propusnost filtra treba biti znatno veća od propusnosti materijala iz kojeg

voda dotječeo granulacija filtarskih slojeva mora biti takva da spriječi dalje prenošenje sitnih

čestica kroz filtaro granulacija materijala filtra ne smije dozvoliti unutrašnju eroziju filtra

FILTARSKO PRAVILO (definirano normom HRN)

(F ndash filtarski materijal O ndash bazni materijal tlo jezgra prethodni filtarski sloj)

a) D15F D 15

O gt5 - onemogućava se začepljenje filtra

b) D15F D 85

O le5 - onemogućava se ispiranje

c) D85O otvor ge2 - promjer zrna 2 puta veći od otvora na drenažnoj cijevi

d) Što ujednačeniji granulometrijski sastav ndash da bi se ostvarila željena vodopropusnost i izbjegla segregacija pri čuvanju transportu i ugrađivanju)

26

REGRESIVNA EROZIJA ndash tunnelling efekt

Regresivna erozija nastaje na plohi na kojoj se pojavljuje tečenje vode (vrelna ploha) i tamo gdje su brzine veće od težina čestica pa se one iznose van

Ako je izlazni gradijent i veći od kritičnog izlaznog gradijenta iKR dolazi do regresivne erozije

i= ΔhΔL

iKR=(1minusn ) ∙ρmaterijalaminusρ v

ρv

igtiKR

n ndash mjera šupljikavosti

Izviranje vode na nizvodnoj kosini može se spriječiti ugradnjom drenažnog sustava Drenovi služe za odvodnju procjedne vode pri malom gradijentu i niskom strujnom

tlaku Zaštita nizvodnog pokosa i stabilnosti nožice ndash primjeri drenažnog sustava

27

ELEMENTI OBLIKOVANJA

1 ŠIRINA KRUNE (B)

Nema značajnijeg utjecaja na stabilnost Ovisi o mogućnosti kretanja strojeva uvjetima sigurnosti u potresnim zonama javna

prometnica

B=1+A ∙radicHA=11minus165

2 KOTA KRUNE (KK)

K K=kr+hm+hp+hd+hs+S

Kr ndash najviša radna kota

hm ndash debljina preljevnog mlaza pri dolasku velikih voda

hp ndash visina penjanja valova uz branu zbog pojave plime u smjeru potiskivanja vode vjetrom

hd ndash porast razine zbog plime

hs ndash porast razine zbog pojave polaganih oscilacija

S ndash sigurnosni dodatak (03 ndash 15 m)

hp=0005 ∙V 106 ∙ Le047

V ndash brzina vjetra u kms

V = kVo Vo ndash brzina mjerena na kopnu

k = 103 ndash 13 Le ndash efikasna duljina razmaha vjetra

28

hd=V 2 ∙ L63 ∙D

∙10minus4 ∙ cosα

D ndash dubina (m)

α ndash kut mjerodavnog vjetra prema okomici na smjer brane

Nadvišenje krune brane ndash zbog konsolidacijskog slijeganja nakon izgradnje (hg = εH)

ε = 001

hgge001 ∙H

3 OBLIKOVANJE KOSINA

zadovoljavanje uvjeta stabilnosti pokosa na klizanje vodoravne berme koje prekidaju jednoliki nagib

uzvodni pokos ndash nasute brane mora biti zaštićen od djelovanja valova i atmosferilija (posebno leda) pa se oblaže kamenim nabačajem ili ako se koristi asfalt-betonski cement-betonski ili AB ekran tada on ima i zaštitnu funkciju

nizvodni pokos ndash zemljane nasute brane najčešće se zatravnjuje (nanošenje nanosa) Ako je brana kamena ne treba zatravnjivati iako se ponekad zatravnjuje iz estetskih razloga (uklapanje u okoliš npr brana na Lokvarskom jezeru)

29

PROCJEĐIVANJE

Q ndash protok kroz branu (jezgru) + protok kroz temeljno tlo

Osnovno pravilo ndash treba težiti da se tlakovi u jezgri i procjedna linija u nizvodnom potpornom tijelu snize na minimum a procjedne vode treba skupiti na dnu i preko zaštićenog drenažnog sustava izvesti izvan brane

Vodoravni zastor ndash produljenje puta procjeđivanja

Uspravna nepropusna brana ndash prekida vodoravni tok kroz propusne naslage usmjerava prema dolje ili zatvara presjek do nepropusne zone (čelično žmurje dijafragma od betona i AB)

Vododrživost temeljnog tla

djelomična ili potpuna zamjena tla ndash produženje jezgretemeljnog klina

uzvodni glineni zastor

30

dijafragma

injektiranje

NOSIVOST I STABILNOST

Brana preuzima hidrostatičko opterećenje i sa svojom vlastitom težinom prenosi ga na temeljno tlo

Mehanička stabilnost brana podrazumijeva

stabilnost kosina (pronalaženje kliznih ploha) stabilnost temeljnog tla

Stabilnost zemljanih nasipa (Coulomb 1773g) zakon otpora vezanog zemljišta na smicanje da je jednadžbom

τ=C+σ ∙tgφ

tj kohezijom (c = const) i unutarnjim trenjem (φ) a tgφ ovisi od normalnog naprezanja (σ) u ravnini smicanja

F s=τ f

τ= čvrstoćanasmicanje

otpor nasmicanje

Nasute brane su nepreljevne u smislu prelijevanja preko krune brane Koriste se bočni bunarski preljevi i sl Prelijevanje preko nasute brane pogotovo ukoliko je ono dugotrajno rezultira erodiranjem nizvodnog pokosa što može rezultirati rušenjem brane

Da se spriječi prelijevanje potrebno je dobro

odrediti visinu krune brane odrediti mjerodavni vodni val (velike vode) dimenzionirati izvesti i održavati evakuacijske organe

31

Ako je nizvodno područje naseljeno evakuacijski organi se dimenzioniraju na maksimalnu veliku vodu Ako je nizvodno područje nenaseljeno te pri poplavljivanju ne može doći do ugrožavanja ljudskih života evakuacijski organi se dimenzioniraju na 1000 ndash godišnju veliku vodu

32

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

IZBOR (II)

BETONSKE BRANEo Prednosti

izdržljivost na prelijevanje i procjeđivanje male količine materijala (strm nagib)

o Mane visoki zahtjevi za temeljenje (visoka nosivost tla niska deformabilnost

ne u potresnoj zoni) visoka jedinična cijena (spor rad i brojna radna snaga) za lučne brane provjerava se odnos visine brane i širine doline

U cilju kontrole stanja brane zbog pravovremenog uočavanja promjena na brani i pravovremene provedbe eventualno potrebne sanacije provodi se tehničko promatranje (monitoring oskultacije) brane

vizualna kontrola (uočavanje svih vidljivih promjena naprimjer pukotina oštećenja) praćenje procjeđivanja i pritiska vode mjerenje horizontalnih i vertikalnih pomaka (slijegavanje brane)

61 NASUTE BRANE

Nasipi ndash građevine koje služe za regulaciju vodotoka i omeđivanje korita rijeka vrlo dugi i relativno niski

Nasute brane ndash relativno kratki i visoki nasipi

Nevezani materijal ndash NASUTE BRANEo Zemljane brane od prirodnih materijala

Homogenog presjeka bez zaptivnog tijela Heterogenog presjeka s nepropusnom glinenom vertikalnom ili kosom

jezgrom ili s jezgrom nekog drugog nepropusnog ili slabo propusnog materijala

o Od kamenog nabačaja s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom od prirodnih materijala s vertikalnom dijafragmom od umjetnih ili pripremljenih materijala s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski ljevani

asfalt geomembrane)

19

Vezani materijal ndash BETONSKE BRANE

o AB (rijetko)o od drugih materijala (u prošlosti) drvo metal zidanje

KRITERIJI KOJI MORAJU BITI ZADOVOLJENI

moraju izdržati hidrostatski tlak količina procjedne vode mora biti u prihvatljivim granicama procjeđivanje ne smije izazivati eroziju u brani ili temelju

IZBOR RJEŠENJA OVISI O

1 Sastavu i osobinama temeljnog tla čvrsto i otporno tlo rarr strmiji pokosi primjena materijala velike otpornosti na

smicanje (lomljeni kamen ili krupnozrnati šljunak) tlo veće stlačivosti i male otpornosti na smicanje ndash nagib pokosa mora biti

manji

2 Hidrogeološkim karakteristikama ndash ako su površinske naslage od jače propusnog materijala moguća su rješenja

zamjena propusnog materijala slabije propusnim sprječavanje procjeđivanja injekcijskom zavjesom ili kontinuiranom

dijafragmom nepropusni zastori vertikalne protufiltracijske konstrukcije nizvodna strana ndash drenažni bunari

20

IZBOR LOKACIJE

morfološke karakteristike profila geološke karakteristike ndash rasjedi diskontinuiteti mogućnost evakuacije velikih voda V ndash H odnos Odnos volumena brane i troškova građenja Uvjeti postavljanja hidrotehničkih građevina

Karakteristike

o velika vlastita težina koja se raspodjeljuje na veliku površinu pa se može raditi i na nepovoljnijem terenu (veće stišljivosti i male čvrstoće na smicanje)

o građevina mora biti tehnički sigurna i funkcionalna uz minimalne troškoveo prema materijalu homogene zonirane i nasute s uzvodnim nepropusnim

materijalom

O čemu ovisi odabir tipa brane

Ovisi o tome kakav materijal imamo na raspolaganju i kakve su karakteristike temeljnog tla

1 HOMOGENE ndash primjena samo jednog materijala dovoljno male propusnosti (glinoviti materijali pjeskovito prašinasti glinoviti šljunak) Homogenost nije apsolutna ndash anizotropija se javlja zbog ugradbe u slojevima Ne može se osigurati trajna stabilnost i mora imati drenove Blagi pokosi (nizvodni i uzvodni) jer slabo propusni materijali imaju manju čvrstoću na smicanje

21

DRENOVI

plošni ndash ispod nizvodnog dijela vertikalni ndash u sredini tijela brane spojen s nizvodnom stopom

usklađenost granulometrijskog sastava brane i drenova

Vertikalni dren

2 ZONIRANE ndash od materijala različitih svojstava koji se raspoređuju unutar presjeka tako da se njihove karakteristike optimalno iskoriste (stabilnost i ekonomičnost)

o materijali male propusnosti ndash mala otpornost na smicanjeo materijali veće propusnosti ndash veća otpornost na smicanje

22

Zonirane ndash više materijala koji imaju različite funkcije

o Jezgra ndash osigurava vodonepropusnost ima mali koeficijent provodljivosti i malu otpornost na smicanje ndash glinoviti i prašinasti materijali

o Potporne zone ndash osiguravaju jezgru i podupiru je i s uzvodne strane ndash veća propusnost veća otpornost na smicanje obično manje stlačivosti (zemlja kamen)

Položaj jezgre

- na uzvodnoj strani- u sredini uzvodnog klina- u sredini poprečnog presjeka

BRANE OD KAMENOG NABAČAJA

s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom (glina pjeskovita ilovača prašina) ili dijafragmom (geomembrane)

s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski lijevani asflat geomembrane)

23

Problemi

osjetljivost na uvjete ugradnjeo slabo propusni koherentni materijali mogu se ugrađivati u relativno uskim

granicama oko optimalne vlažnostiglinoviti materijali plusmn 5 oko srednje vrijednostiprašinasti materijali optimalna vlaga

na spoju različitih materijala mijenja se gradijent tlaka i procjedne vode što može izazvati ispiranje čestica sitnijih frakcija (erozija i degradacija jezgre)

- potrebna ugradnja FILTARSKIH SLOJEVA

Jezgra leži na betonskoj galeriji da bi se spriječila postupna erozija jezgre vodom koja bi se mogla zadržavati u temeljnoj stijeni

24

3 NASUTE BRANE S UZVODNIM NEPROPUSNIM MATERIJALOM

Kada u blizini nema materijala za jezgru odgovarajuće nepropusnosti ili su klimatski uvjeti nepovoljni za građenje Nepropusni ekran ndash AB asfalt-beton čelični lim

osjetljivost na termičke promjene osjetljivost zbog različitog ponašanja nasutog materijala i materijala obloge osjetljivost zbog kombinacije prirodnog i umjetnog materijala

MATERIJALI ZA NASIPAVANJE ndash moraju zadovoljiti kontradiktorne zahtjeve

velika otpornost na smicanje relativno mala stišljivost mala propusnost mala osjetljivost na promjene vlažnosti

Prema svojstvima

koherentni materijali (glina niske do visoke plastičnosti s lt 10 pijeska male vodopropusnosti i srednje do velike stišljivosti)

nekoherentni materijali (sitnozrnati s lt 50 pijeska male stišljivosti) krupnozrnati materijali ( gt 50 šljunka mala stišljivost srednja čvrstoća na smicanje)

Prema mogućnostima ugradnje

neosjetljivi na održavanje vlažnosti (glinoviti materijali male do srednje vlažnosti) malo osjetljivi na vlažnost pri ugradnji (šljunak pijesak s malo praha) osjetljivi na vlažnost (prašinasti pijesak prah glinoviti prah) ndash mogućnost ugradbe u

uskom rasponu vlažnosti u odnosu na optimalnu

Prema namjeni

za otješnjenje i onemogućavanje procjeđivanja akumulirane vode za potporne zone ndash gotovo svi drenirajući i filtarski slojevi za zaštitnu oblogu uzvodnog i nizvodnog pokosa ndash otporni na eroziju balastni materijali ndash osiguranje od klizanja

25

Treba osigurati

vodonepropusnost tijela brane vodonepropusnost temeljnog tla

Treba osigurati hidrauličku stabilnost brane

zaštitu od unutrašnje erozije zaštitu od regresivne erozije

UNUTRAŠNJA EROZIJA

unutrašnja erozija je ispiranje čestica sitnijeg materijala kroz šupljine većih čestica bolja zbijenost materijala manja mogućnost ispiranja čestica do unutrašnje erozije dolazi na kontaktu različitih materijala Za spriječavanje

unutrašnje erozije izvode se zaštitni filtarski slojevi Moguće je izvesti jedan ili više filtarskih slojeva

svrha filtarskih slojeva je da spriječe unutrašnju eroziju brane i pronošenje sitnih čestica u smjeru toka vode uključujući i slobodne površine na kojima voda izvire

Filtarski slojevi trebaju ispunjavati slijedeće uvjeteo propusnost filtra treba biti znatno veća od propusnosti materijala iz kojeg

voda dotječeo granulacija filtarskih slojeva mora biti takva da spriječi dalje prenošenje sitnih

čestica kroz filtaro granulacija materijala filtra ne smije dozvoliti unutrašnju eroziju filtra

FILTARSKO PRAVILO (definirano normom HRN)

(F ndash filtarski materijal O ndash bazni materijal tlo jezgra prethodni filtarski sloj)

a) D15F D 15

O gt5 - onemogućava se začepljenje filtra

b) D15F D 85

O le5 - onemogućava se ispiranje

c) D85O otvor ge2 - promjer zrna 2 puta veći od otvora na drenažnoj cijevi

d) Što ujednačeniji granulometrijski sastav ndash da bi se ostvarila željena vodopropusnost i izbjegla segregacija pri čuvanju transportu i ugrađivanju)

26

REGRESIVNA EROZIJA ndash tunnelling efekt

Regresivna erozija nastaje na plohi na kojoj se pojavljuje tečenje vode (vrelna ploha) i tamo gdje su brzine veće od težina čestica pa se one iznose van

Ako je izlazni gradijent i veći od kritičnog izlaznog gradijenta iKR dolazi do regresivne erozije

i= ΔhΔL

iKR=(1minusn ) ∙ρmaterijalaminusρ v

ρv

igtiKR

n ndash mjera šupljikavosti

Izviranje vode na nizvodnoj kosini može se spriječiti ugradnjom drenažnog sustava Drenovi služe za odvodnju procjedne vode pri malom gradijentu i niskom strujnom

tlaku Zaštita nizvodnog pokosa i stabilnosti nožice ndash primjeri drenažnog sustava

27

ELEMENTI OBLIKOVANJA

1 ŠIRINA KRUNE (B)

Nema značajnijeg utjecaja na stabilnost Ovisi o mogućnosti kretanja strojeva uvjetima sigurnosti u potresnim zonama javna

prometnica

B=1+A ∙radicHA=11minus165

2 KOTA KRUNE (KK)

K K=kr+hm+hp+hd+hs+S

Kr ndash najviša radna kota

hm ndash debljina preljevnog mlaza pri dolasku velikih voda

hp ndash visina penjanja valova uz branu zbog pojave plime u smjeru potiskivanja vode vjetrom

hd ndash porast razine zbog plime

hs ndash porast razine zbog pojave polaganih oscilacija

S ndash sigurnosni dodatak (03 ndash 15 m)

hp=0005 ∙V 106 ∙ Le047

V ndash brzina vjetra u kms

V = kVo Vo ndash brzina mjerena na kopnu

k = 103 ndash 13 Le ndash efikasna duljina razmaha vjetra

28

hd=V 2 ∙ L63 ∙D

∙10minus4 ∙ cosα

D ndash dubina (m)

α ndash kut mjerodavnog vjetra prema okomici na smjer brane

Nadvišenje krune brane ndash zbog konsolidacijskog slijeganja nakon izgradnje (hg = εH)

ε = 001

hgge001 ∙H

3 OBLIKOVANJE KOSINA

zadovoljavanje uvjeta stabilnosti pokosa na klizanje vodoravne berme koje prekidaju jednoliki nagib

uzvodni pokos ndash nasute brane mora biti zaštićen od djelovanja valova i atmosferilija (posebno leda) pa se oblaže kamenim nabačajem ili ako se koristi asfalt-betonski cement-betonski ili AB ekran tada on ima i zaštitnu funkciju

nizvodni pokos ndash zemljane nasute brane najčešće se zatravnjuje (nanošenje nanosa) Ako je brana kamena ne treba zatravnjivati iako se ponekad zatravnjuje iz estetskih razloga (uklapanje u okoliš npr brana na Lokvarskom jezeru)

29

PROCJEĐIVANJE

Q ndash protok kroz branu (jezgru) + protok kroz temeljno tlo

Osnovno pravilo ndash treba težiti da se tlakovi u jezgri i procjedna linija u nizvodnom potpornom tijelu snize na minimum a procjedne vode treba skupiti na dnu i preko zaštićenog drenažnog sustava izvesti izvan brane

Vodoravni zastor ndash produljenje puta procjeđivanja

Uspravna nepropusna brana ndash prekida vodoravni tok kroz propusne naslage usmjerava prema dolje ili zatvara presjek do nepropusne zone (čelično žmurje dijafragma od betona i AB)

Vododrživost temeljnog tla

djelomična ili potpuna zamjena tla ndash produženje jezgretemeljnog klina

uzvodni glineni zastor

30

dijafragma

injektiranje

NOSIVOST I STABILNOST

Brana preuzima hidrostatičko opterećenje i sa svojom vlastitom težinom prenosi ga na temeljno tlo

Mehanička stabilnost brana podrazumijeva

stabilnost kosina (pronalaženje kliznih ploha) stabilnost temeljnog tla

Stabilnost zemljanih nasipa (Coulomb 1773g) zakon otpora vezanog zemljišta na smicanje da je jednadžbom

τ=C+σ ∙tgφ

tj kohezijom (c = const) i unutarnjim trenjem (φ) a tgφ ovisi od normalnog naprezanja (σ) u ravnini smicanja

F s=τ f

τ= čvrstoćanasmicanje

otpor nasmicanje

Nasute brane su nepreljevne u smislu prelijevanja preko krune brane Koriste se bočni bunarski preljevi i sl Prelijevanje preko nasute brane pogotovo ukoliko je ono dugotrajno rezultira erodiranjem nizvodnog pokosa što može rezultirati rušenjem brane

Da se spriječi prelijevanje potrebno je dobro

odrediti visinu krune brane odrediti mjerodavni vodni val (velike vode) dimenzionirati izvesti i održavati evakuacijske organe

31

Ako je nizvodno područje naseljeno evakuacijski organi se dimenzioniraju na maksimalnu veliku vodu Ako je nizvodno područje nenaseljeno te pri poplavljivanju ne može doći do ugrožavanja ljudskih života evakuacijski organi se dimenzioniraju na 1000 ndash godišnju veliku vodu

32

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

Vezani materijal ndash BETONSKE BRANE

o AB (rijetko)o od drugih materijala (u prošlosti) drvo metal zidanje

KRITERIJI KOJI MORAJU BITI ZADOVOLJENI

moraju izdržati hidrostatski tlak količina procjedne vode mora biti u prihvatljivim granicama procjeđivanje ne smije izazivati eroziju u brani ili temelju

IZBOR RJEŠENJA OVISI O

1 Sastavu i osobinama temeljnog tla čvrsto i otporno tlo rarr strmiji pokosi primjena materijala velike otpornosti na

smicanje (lomljeni kamen ili krupnozrnati šljunak) tlo veće stlačivosti i male otpornosti na smicanje ndash nagib pokosa mora biti

manji

2 Hidrogeološkim karakteristikama ndash ako su površinske naslage od jače propusnog materijala moguća su rješenja

zamjena propusnog materijala slabije propusnim sprječavanje procjeđivanja injekcijskom zavjesom ili kontinuiranom

dijafragmom nepropusni zastori vertikalne protufiltracijske konstrukcije nizvodna strana ndash drenažni bunari

20

IZBOR LOKACIJE

morfološke karakteristike profila geološke karakteristike ndash rasjedi diskontinuiteti mogućnost evakuacije velikih voda V ndash H odnos Odnos volumena brane i troškova građenja Uvjeti postavljanja hidrotehničkih građevina

Karakteristike

o velika vlastita težina koja se raspodjeljuje na veliku površinu pa se može raditi i na nepovoljnijem terenu (veće stišljivosti i male čvrstoće na smicanje)

o građevina mora biti tehnički sigurna i funkcionalna uz minimalne troškoveo prema materijalu homogene zonirane i nasute s uzvodnim nepropusnim

materijalom

O čemu ovisi odabir tipa brane

Ovisi o tome kakav materijal imamo na raspolaganju i kakve su karakteristike temeljnog tla

1 HOMOGENE ndash primjena samo jednog materijala dovoljno male propusnosti (glinoviti materijali pjeskovito prašinasti glinoviti šljunak) Homogenost nije apsolutna ndash anizotropija se javlja zbog ugradbe u slojevima Ne može se osigurati trajna stabilnost i mora imati drenove Blagi pokosi (nizvodni i uzvodni) jer slabo propusni materijali imaju manju čvrstoću na smicanje

21

DRENOVI

plošni ndash ispod nizvodnog dijela vertikalni ndash u sredini tijela brane spojen s nizvodnom stopom

usklađenost granulometrijskog sastava brane i drenova

Vertikalni dren

2 ZONIRANE ndash od materijala različitih svojstava koji se raspoređuju unutar presjeka tako da se njihove karakteristike optimalno iskoriste (stabilnost i ekonomičnost)

o materijali male propusnosti ndash mala otpornost na smicanjeo materijali veće propusnosti ndash veća otpornost na smicanje

22

Zonirane ndash više materijala koji imaju različite funkcije

o Jezgra ndash osigurava vodonepropusnost ima mali koeficijent provodljivosti i malu otpornost na smicanje ndash glinoviti i prašinasti materijali

o Potporne zone ndash osiguravaju jezgru i podupiru je i s uzvodne strane ndash veća propusnost veća otpornost na smicanje obično manje stlačivosti (zemlja kamen)

Položaj jezgre

- na uzvodnoj strani- u sredini uzvodnog klina- u sredini poprečnog presjeka

BRANE OD KAMENOG NABAČAJA

s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom (glina pjeskovita ilovača prašina) ili dijafragmom (geomembrane)

s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski lijevani asflat geomembrane)

23

Problemi

osjetljivost na uvjete ugradnjeo slabo propusni koherentni materijali mogu se ugrađivati u relativno uskim

granicama oko optimalne vlažnostiglinoviti materijali plusmn 5 oko srednje vrijednostiprašinasti materijali optimalna vlaga

na spoju različitih materijala mijenja se gradijent tlaka i procjedne vode što može izazvati ispiranje čestica sitnijih frakcija (erozija i degradacija jezgre)

- potrebna ugradnja FILTARSKIH SLOJEVA

Jezgra leži na betonskoj galeriji da bi se spriječila postupna erozija jezgre vodom koja bi se mogla zadržavati u temeljnoj stijeni

24

3 NASUTE BRANE S UZVODNIM NEPROPUSNIM MATERIJALOM

Kada u blizini nema materijala za jezgru odgovarajuće nepropusnosti ili su klimatski uvjeti nepovoljni za građenje Nepropusni ekran ndash AB asfalt-beton čelični lim

osjetljivost na termičke promjene osjetljivost zbog različitog ponašanja nasutog materijala i materijala obloge osjetljivost zbog kombinacije prirodnog i umjetnog materijala

MATERIJALI ZA NASIPAVANJE ndash moraju zadovoljiti kontradiktorne zahtjeve

velika otpornost na smicanje relativno mala stišljivost mala propusnost mala osjetljivost na promjene vlažnosti

Prema svojstvima

koherentni materijali (glina niske do visoke plastičnosti s lt 10 pijeska male vodopropusnosti i srednje do velike stišljivosti)

nekoherentni materijali (sitnozrnati s lt 50 pijeska male stišljivosti) krupnozrnati materijali ( gt 50 šljunka mala stišljivost srednja čvrstoća na smicanje)

Prema mogućnostima ugradnje

neosjetljivi na održavanje vlažnosti (glinoviti materijali male do srednje vlažnosti) malo osjetljivi na vlažnost pri ugradnji (šljunak pijesak s malo praha) osjetljivi na vlažnost (prašinasti pijesak prah glinoviti prah) ndash mogućnost ugradbe u

uskom rasponu vlažnosti u odnosu na optimalnu

Prema namjeni

za otješnjenje i onemogućavanje procjeđivanja akumulirane vode za potporne zone ndash gotovo svi drenirajući i filtarski slojevi za zaštitnu oblogu uzvodnog i nizvodnog pokosa ndash otporni na eroziju balastni materijali ndash osiguranje od klizanja

25

Treba osigurati

vodonepropusnost tijela brane vodonepropusnost temeljnog tla

Treba osigurati hidrauličku stabilnost brane

zaštitu od unutrašnje erozije zaštitu od regresivne erozije

UNUTRAŠNJA EROZIJA

unutrašnja erozija je ispiranje čestica sitnijeg materijala kroz šupljine većih čestica bolja zbijenost materijala manja mogućnost ispiranja čestica do unutrašnje erozije dolazi na kontaktu različitih materijala Za spriječavanje

unutrašnje erozije izvode se zaštitni filtarski slojevi Moguće je izvesti jedan ili više filtarskih slojeva

svrha filtarskih slojeva je da spriječe unutrašnju eroziju brane i pronošenje sitnih čestica u smjeru toka vode uključujući i slobodne površine na kojima voda izvire

Filtarski slojevi trebaju ispunjavati slijedeće uvjeteo propusnost filtra treba biti znatno veća od propusnosti materijala iz kojeg

voda dotječeo granulacija filtarskih slojeva mora biti takva da spriječi dalje prenošenje sitnih

čestica kroz filtaro granulacija materijala filtra ne smije dozvoliti unutrašnju eroziju filtra

FILTARSKO PRAVILO (definirano normom HRN)

(F ndash filtarski materijal O ndash bazni materijal tlo jezgra prethodni filtarski sloj)

a) D15F D 15

O gt5 - onemogućava se začepljenje filtra

b) D15F D 85

O le5 - onemogućava se ispiranje

c) D85O otvor ge2 - promjer zrna 2 puta veći od otvora na drenažnoj cijevi

d) Što ujednačeniji granulometrijski sastav ndash da bi se ostvarila željena vodopropusnost i izbjegla segregacija pri čuvanju transportu i ugrađivanju)

26

REGRESIVNA EROZIJA ndash tunnelling efekt

Regresivna erozija nastaje na plohi na kojoj se pojavljuje tečenje vode (vrelna ploha) i tamo gdje su brzine veće od težina čestica pa se one iznose van

Ako je izlazni gradijent i veći od kritičnog izlaznog gradijenta iKR dolazi do regresivne erozije

i= ΔhΔL

iKR=(1minusn ) ∙ρmaterijalaminusρ v

ρv

igtiKR

n ndash mjera šupljikavosti

Izviranje vode na nizvodnoj kosini može se spriječiti ugradnjom drenažnog sustava Drenovi služe za odvodnju procjedne vode pri malom gradijentu i niskom strujnom

tlaku Zaštita nizvodnog pokosa i stabilnosti nožice ndash primjeri drenažnog sustava

27

ELEMENTI OBLIKOVANJA

1 ŠIRINA KRUNE (B)

Nema značajnijeg utjecaja na stabilnost Ovisi o mogućnosti kretanja strojeva uvjetima sigurnosti u potresnim zonama javna

prometnica

B=1+A ∙radicHA=11minus165

2 KOTA KRUNE (KK)

K K=kr+hm+hp+hd+hs+S

Kr ndash najviša radna kota

hm ndash debljina preljevnog mlaza pri dolasku velikih voda

hp ndash visina penjanja valova uz branu zbog pojave plime u smjeru potiskivanja vode vjetrom

hd ndash porast razine zbog plime

hs ndash porast razine zbog pojave polaganih oscilacija

S ndash sigurnosni dodatak (03 ndash 15 m)

hp=0005 ∙V 106 ∙ Le047

V ndash brzina vjetra u kms

V = kVo Vo ndash brzina mjerena na kopnu

k = 103 ndash 13 Le ndash efikasna duljina razmaha vjetra

28

hd=V 2 ∙ L63 ∙D

∙10minus4 ∙ cosα

D ndash dubina (m)

α ndash kut mjerodavnog vjetra prema okomici na smjer brane

Nadvišenje krune brane ndash zbog konsolidacijskog slijeganja nakon izgradnje (hg = εH)

ε = 001

hgge001 ∙H

3 OBLIKOVANJE KOSINA

zadovoljavanje uvjeta stabilnosti pokosa na klizanje vodoravne berme koje prekidaju jednoliki nagib

uzvodni pokos ndash nasute brane mora biti zaštićen od djelovanja valova i atmosferilija (posebno leda) pa se oblaže kamenim nabačajem ili ako se koristi asfalt-betonski cement-betonski ili AB ekran tada on ima i zaštitnu funkciju

nizvodni pokos ndash zemljane nasute brane najčešće se zatravnjuje (nanošenje nanosa) Ako je brana kamena ne treba zatravnjivati iako se ponekad zatravnjuje iz estetskih razloga (uklapanje u okoliš npr brana na Lokvarskom jezeru)

29

PROCJEĐIVANJE

Q ndash protok kroz branu (jezgru) + protok kroz temeljno tlo

Osnovno pravilo ndash treba težiti da se tlakovi u jezgri i procjedna linija u nizvodnom potpornom tijelu snize na minimum a procjedne vode treba skupiti na dnu i preko zaštićenog drenažnog sustava izvesti izvan brane

Vodoravni zastor ndash produljenje puta procjeđivanja

Uspravna nepropusna brana ndash prekida vodoravni tok kroz propusne naslage usmjerava prema dolje ili zatvara presjek do nepropusne zone (čelično žmurje dijafragma od betona i AB)

Vododrživost temeljnog tla

djelomična ili potpuna zamjena tla ndash produženje jezgretemeljnog klina

uzvodni glineni zastor

30

dijafragma

injektiranje

NOSIVOST I STABILNOST

Brana preuzima hidrostatičko opterećenje i sa svojom vlastitom težinom prenosi ga na temeljno tlo

Mehanička stabilnost brana podrazumijeva

stabilnost kosina (pronalaženje kliznih ploha) stabilnost temeljnog tla

Stabilnost zemljanih nasipa (Coulomb 1773g) zakon otpora vezanog zemljišta na smicanje da je jednadžbom

τ=C+σ ∙tgφ

tj kohezijom (c = const) i unutarnjim trenjem (φ) a tgφ ovisi od normalnog naprezanja (σ) u ravnini smicanja

F s=τ f

τ= čvrstoćanasmicanje

otpor nasmicanje

Nasute brane su nepreljevne u smislu prelijevanja preko krune brane Koriste se bočni bunarski preljevi i sl Prelijevanje preko nasute brane pogotovo ukoliko je ono dugotrajno rezultira erodiranjem nizvodnog pokosa što može rezultirati rušenjem brane

Da se spriječi prelijevanje potrebno je dobro

odrediti visinu krune brane odrediti mjerodavni vodni val (velike vode) dimenzionirati izvesti i održavati evakuacijske organe

31

Ako je nizvodno područje naseljeno evakuacijski organi se dimenzioniraju na maksimalnu veliku vodu Ako je nizvodno područje nenaseljeno te pri poplavljivanju ne može doći do ugrožavanja ljudskih života evakuacijski organi se dimenzioniraju na 1000 ndash godišnju veliku vodu

32

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

IZBOR LOKACIJE

morfološke karakteristike profila geološke karakteristike ndash rasjedi diskontinuiteti mogućnost evakuacije velikih voda V ndash H odnos Odnos volumena brane i troškova građenja Uvjeti postavljanja hidrotehničkih građevina

Karakteristike

o velika vlastita težina koja se raspodjeljuje na veliku površinu pa se može raditi i na nepovoljnijem terenu (veće stišljivosti i male čvrstoće na smicanje)

o građevina mora biti tehnički sigurna i funkcionalna uz minimalne troškoveo prema materijalu homogene zonirane i nasute s uzvodnim nepropusnim

materijalom

O čemu ovisi odabir tipa brane

Ovisi o tome kakav materijal imamo na raspolaganju i kakve su karakteristike temeljnog tla

1 HOMOGENE ndash primjena samo jednog materijala dovoljno male propusnosti (glinoviti materijali pjeskovito prašinasti glinoviti šljunak) Homogenost nije apsolutna ndash anizotropija se javlja zbog ugradbe u slojevima Ne može se osigurati trajna stabilnost i mora imati drenove Blagi pokosi (nizvodni i uzvodni) jer slabo propusni materijali imaju manju čvrstoću na smicanje

21

DRENOVI

plošni ndash ispod nizvodnog dijela vertikalni ndash u sredini tijela brane spojen s nizvodnom stopom

usklađenost granulometrijskog sastava brane i drenova

Vertikalni dren

2 ZONIRANE ndash od materijala različitih svojstava koji se raspoređuju unutar presjeka tako da se njihove karakteristike optimalno iskoriste (stabilnost i ekonomičnost)

o materijali male propusnosti ndash mala otpornost na smicanjeo materijali veće propusnosti ndash veća otpornost na smicanje

22

Zonirane ndash više materijala koji imaju različite funkcije

o Jezgra ndash osigurava vodonepropusnost ima mali koeficijent provodljivosti i malu otpornost na smicanje ndash glinoviti i prašinasti materijali

o Potporne zone ndash osiguravaju jezgru i podupiru je i s uzvodne strane ndash veća propusnost veća otpornost na smicanje obično manje stlačivosti (zemlja kamen)

Položaj jezgre

- na uzvodnoj strani- u sredini uzvodnog klina- u sredini poprečnog presjeka

BRANE OD KAMENOG NABAČAJA

s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom (glina pjeskovita ilovača prašina) ili dijafragmom (geomembrane)

s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski lijevani asflat geomembrane)

23

Problemi

osjetljivost na uvjete ugradnjeo slabo propusni koherentni materijali mogu se ugrađivati u relativno uskim

granicama oko optimalne vlažnostiglinoviti materijali plusmn 5 oko srednje vrijednostiprašinasti materijali optimalna vlaga

na spoju različitih materijala mijenja se gradijent tlaka i procjedne vode što može izazvati ispiranje čestica sitnijih frakcija (erozija i degradacija jezgre)

- potrebna ugradnja FILTARSKIH SLOJEVA

Jezgra leži na betonskoj galeriji da bi se spriječila postupna erozija jezgre vodom koja bi se mogla zadržavati u temeljnoj stijeni

24

3 NASUTE BRANE S UZVODNIM NEPROPUSNIM MATERIJALOM

Kada u blizini nema materijala za jezgru odgovarajuće nepropusnosti ili su klimatski uvjeti nepovoljni za građenje Nepropusni ekran ndash AB asfalt-beton čelični lim

osjetljivost na termičke promjene osjetljivost zbog različitog ponašanja nasutog materijala i materijala obloge osjetljivost zbog kombinacije prirodnog i umjetnog materijala

MATERIJALI ZA NASIPAVANJE ndash moraju zadovoljiti kontradiktorne zahtjeve

velika otpornost na smicanje relativno mala stišljivost mala propusnost mala osjetljivost na promjene vlažnosti

Prema svojstvima

koherentni materijali (glina niske do visoke plastičnosti s lt 10 pijeska male vodopropusnosti i srednje do velike stišljivosti)

nekoherentni materijali (sitnozrnati s lt 50 pijeska male stišljivosti) krupnozrnati materijali ( gt 50 šljunka mala stišljivost srednja čvrstoća na smicanje)

Prema mogućnostima ugradnje

neosjetljivi na održavanje vlažnosti (glinoviti materijali male do srednje vlažnosti) malo osjetljivi na vlažnost pri ugradnji (šljunak pijesak s malo praha) osjetljivi na vlažnost (prašinasti pijesak prah glinoviti prah) ndash mogućnost ugradbe u

uskom rasponu vlažnosti u odnosu na optimalnu

Prema namjeni

za otješnjenje i onemogućavanje procjeđivanja akumulirane vode za potporne zone ndash gotovo svi drenirajući i filtarski slojevi za zaštitnu oblogu uzvodnog i nizvodnog pokosa ndash otporni na eroziju balastni materijali ndash osiguranje od klizanja

25

Treba osigurati

vodonepropusnost tijela brane vodonepropusnost temeljnog tla

Treba osigurati hidrauličku stabilnost brane

zaštitu od unutrašnje erozije zaštitu od regresivne erozije

UNUTRAŠNJA EROZIJA

unutrašnja erozija je ispiranje čestica sitnijeg materijala kroz šupljine većih čestica bolja zbijenost materijala manja mogućnost ispiranja čestica do unutrašnje erozije dolazi na kontaktu različitih materijala Za spriječavanje

unutrašnje erozije izvode se zaštitni filtarski slojevi Moguće je izvesti jedan ili više filtarskih slojeva

svrha filtarskih slojeva je da spriječe unutrašnju eroziju brane i pronošenje sitnih čestica u smjeru toka vode uključujući i slobodne površine na kojima voda izvire

Filtarski slojevi trebaju ispunjavati slijedeće uvjeteo propusnost filtra treba biti znatno veća od propusnosti materijala iz kojeg

voda dotječeo granulacija filtarskih slojeva mora biti takva da spriječi dalje prenošenje sitnih

čestica kroz filtaro granulacija materijala filtra ne smije dozvoliti unutrašnju eroziju filtra

FILTARSKO PRAVILO (definirano normom HRN)

(F ndash filtarski materijal O ndash bazni materijal tlo jezgra prethodni filtarski sloj)

a) D15F D 15

O gt5 - onemogućava se začepljenje filtra

b) D15F D 85

O le5 - onemogućava se ispiranje

c) D85O otvor ge2 - promjer zrna 2 puta veći od otvora na drenažnoj cijevi

d) Što ujednačeniji granulometrijski sastav ndash da bi se ostvarila željena vodopropusnost i izbjegla segregacija pri čuvanju transportu i ugrađivanju)

26

REGRESIVNA EROZIJA ndash tunnelling efekt

Regresivna erozija nastaje na plohi na kojoj se pojavljuje tečenje vode (vrelna ploha) i tamo gdje su brzine veće od težina čestica pa se one iznose van

Ako je izlazni gradijent i veći od kritičnog izlaznog gradijenta iKR dolazi do regresivne erozije

i= ΔhΔL

iKR=(1minusn ) ∙ρmaterijalaminusρ v

ρv

igtiKR

n ndash mjera šupljikavosti

Izviranje vode na nizvodnoj kosini može se spriječiti ugradnjom drenažnog sustava Drenovi služe za odvodnju procjedne vode pri malom gradijentu i niskom strujnom

tlaku Zaštita nizvodnog pokosa i stabilnosti nožice ndash primjeri drenažnog sustava

27

ELEMENTI OBLIKOVANJA

1 ŠIRINA KRUNE (B)

Nema značajnijeg utjecaja na stabilnost Ovisi o mogućnosti kretanja strojeva uvjetima sigurnosti u potresnim zonama javna

prometnica

B=1+A ∙radicHA=11minus165

2 KOTA KRUNE (KK)

K K=kr+hm+hp+hd+hs+S

Kr ndash najviša radna kota

hm ndash debljina preljevnog mlaza pri dolasku velikih voda

hp ndash visina penjanja valova uz branu zbog pojave plime u smjeru potiskivanja vode vjetrom

hd ndash porast razine zbog plime

hs ndash porast razine zbog pojave polaganih oscilacija

S ndash sigurnosni dodatak (03 ndash 15 m)

hp=0005 ∙V 106 ∙ Le047

V ndash brzina vjetra u kms

V = kVo Vo ndash brzina mjerena na kopnu

k = 103 ndash 13 Le ndash efikasna duljina razmaha vjetra

28

hd=V 2 ∙ L63 ∙D

∙10minus4 ∙ cosα

D ndash dubina (m)

α ndash kut mjerodavnog vjetra prema okomici na smjer brane

Nadvišenje krune brane ndash zbog konsolidacijskog slijeganja nakon izgradnje (hg = εH)

ε = 001

hgge001 ∙H

3 OBLIKOVANJE KOSINA

zadovoljavanje uvjeta stabilnosti pokosa na klizanje vodoravne berme koje prekidaju jednoliki nagib

uzvodni pokos ndash nasute brane mora biti zaštićen od djelovanja valova i atmosferilija (posebno leda) pa se oblaže kamenim nabačajem ili ako se koristi asfalt-betonski cement-betonski ili AB ekran tada on ima i zaštitnu funkciju

nizvodni pokos ndash zemljane nasute brane najčešće se zatravnjuje (nanošenje nanosa) Ako je brana kamena ne treba zatravnjivati iako se ponekad zatravnjuje iz estetskih razloga (uklapanje u okoliš npr brana na Lokvarskom jezeru)

29

PROCJEĐIVANJE

Q ndash protok kroz branu (jezgru) + protok kroz temeljno tlo

Osnovno pravilo ndash treba težiti da se tlakovi u jezgri i procjedna linija u nizvodnom potpornom tijelu snize na minimum a procjedne vode treba skupiti na dnu i preko zaštićenog drenažnog sustava izvesti izvan brane

Vodoravni zastor ndash produljenje puta procjeđivanja

Uspravna nepropusna brana ndash prekida vodoravni tok kroz propusne naslage usmjerava prema dolje ili zatvara presjek do nepropusne zone (čelično žmurje dijafragma od betona i AB)

Vododrživost temeljnog tla

djelomična ili potpuna zamjena tla ndash produženje jezgretemeljnog klina

uzvodni glineni zastor

30

dijafragma

injektiranje

NOSIVOST I STABILNOST

Brana preuzima hidrostatičko opterećenje i sa svojom vlastitom težinom prenosi ga na temeljno tlo

Mehanička stabilnost brana podrazumijeva

stabilnost kosina (pronalaženje kliznih ploha) stabilnost temeljnog tla

Stabilnost zemljanih nasipa (Coulomb 1773g) zakon otpora vezanog zemljišta na smicanje da je jednadžbom

τ=C+σ ∙tgφ

tj kohezijom (c = const) i unutarnjim trenjem (φ) a tgφ ovisi od normalnog naprezanja (σ) u ravnini smicanja

F s=τ f

τ= čvrstoćanasmicanje

otpor nasmicanje

Nasute brane su nepreljevne u smislu prelijevanja preko krune brane Koriste se bočni bunarski preljevi i sl Prelijevanje preko nasute brane pogotovo ukoliko je ono dugotrajno rezultira erodiranjem nizvodnog pokosa što može rezultirati rušenjem brane

Da se spriječi prelijevanje potrebno je dobro

odrediti visinu krune brane odrediti mjerodavni vodni val (velike vode) dimenzionirati izvesti i održavati evakuacijske organe

31

Ako je nizvodno područje naseljeno evakuacijski organi se dimenzioniraju na maksimalnu veliku vodu Ako je nizvodno područje nenaseljeno te pri poplavljivanju ne može doći do ugrožavanja ljudskih života evakuacijski organi se dimenzioniraju na 1000 ndash godišnju veliku vodu

32

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

DRENOVI

plošni ndash ispod nizvodnog dijela vertikalni ndash u sredini tijela brane spojen s nizvodnom stopom

usklađenost granulometrijskog sastava brane i drenova

Vertikalni dren

2 ZONIRANE ndash od materijala različitih svojstava koji se raspoređuju unutar presjeka tako da se njihove karakteristike optimalno iskoriste (stabilnost i ekonomičnost)

o materijali male propusnosti ndash mala otpornost na smicanjeo materijali veće propusnosti ndash veća otpornost na smicanje

22

Zonirane ndash više materijala koji imaju različite funkcije

o Jezgra ndash osigurava vodonepropusnost ima mali koeficijent provodljivosti i malu otpornost na smicanje ndash glinoviti i prašinasti materijali

o Potporne zone ndash osiguravaju jezgru i podupiru je i s uzvodne strane ndash veća propusnost veća otpornost na smicanje obično manje stlačivosti (zemlja kamen)

Položaj jezgre

- na uzvodnoj strani- u sredini uzvodnog klina- u sredini poprečnog presjeka

BRANE OD KAMENOG NABAČAJA

s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom (glina pjeskovita ilovača prašina) ili dijafragmom (geomembrane)

s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski lijevani asflat geomembrane)

23

Problemi

osjetljivost na uvjete ugradnjeo slabo propusni koherentni materijali mogu se ugrađivati u relativno uskim

granicama oko optimalne vlažnostiglinoviti materijali plusmn 5 oko srednje vrijednostiprašinasti materijali optimalna vlaga

na spoju različitih materijala mijenja se gradijent tlaka i procjedne vode što može izazvati ispiranje čestica sitnijih frakcija (erozija i degradacija jezgre)

- potrebna ugradnja FILTARSKIH SLOJEVA

Jezgra leži na betonskoj galeriji da bi se spriječila postupna erozija jezgre vodom koja bi se mogla zadržavati u temeljnoj stijeni

24

3 NASUTE BRANE S UZVODNIM NEPROPUSNIM MATERIJALOM

Kada u blizini nema materijala za jezgru odgovarajuće nepropusnosti ili su klimatski uvjeti nepovoljni za građenje Nepropusni ekran ndash AB asfalt-beton čelični lim

osjetljivost na termičke promjene osjetljivost zbog različitog ponašanja nasutog materijala i materijala obloge osjetljivost zbog kombinacije prirodnog i umjetnog materijala

MATERIJALI ZA NASIPAVANJE ndash moraju zadovoljiti kontradiktorne zahtjeve

velika otpornost na smicanje relativno mala stišljivost mala propusnost mala osjetljivost na promjene vlažnosti

Prema svojstvima

koherentni materijali (glina niske do visoke plastičnosti s lt 10 pijeska male vodopropusnosti i srednje do velike stišljivosti)

nekoherentni materijali (sitnozrnati s lt 50 pijeska male stišljivosti) krupnozrnati materijali ( gt 50 šljunka mala stišljivost srednja čvrstoća na smicanje)

Prema mogućnostima ugradnje

neosjetljivi na održavanje vlažnosti (glinoviti materijali male do srednje vlažnosti) malo osjetljivi na vlažnost pri ugradnji (šljunak pijesak s malo praha) osjetljivi na vlažnost (prašinasti pijesak prah glinoviti prah) ndash mogućnost ugradbe u

uskom rasponu vlažnosti u odnosu na optimalnu

Prema namjeni

za otješnjenje i onemogućavanje procjeđivanja akumulirane vode za potporne zone ndash gotovo svi drenirajući i filtarski slojevi za zaštitnu oblogu uzvodnog i nizvodnog pokosa ndash otporni na eroziju balastni materijali ndash osiguranje od klizanja

25

Treba osigurati

vodonepropusnost tijela brane vodonepropusnost temeljnog tla

Treba osigurati hidrauličku stabilnost brane

zaštitu od unutrašnje erozije zaštitu od regresivne erozije

UNUTRAŠNJA EROZIJA

unutrašnja erozija je ispiranje čestica sitnijeg materijala kroz šupljine većih čestica bolja zbijenost materijala manja mogućnost ispiranja čestica do unutrašnje erozije dolazi na kontaktu različitih materijala Za spriječavanje

unutrašnje erozije izvode se zaštitni filtarski slojevi Moguće je izvesti jedan ili više filtarskih slojeva

svrha filtarskih slojeva je da spriječe unutrašnju eroziju brane i pronošenje sitnih čestica u smjeru toka vode uključujući i slobodne površine na kojima voda izvire

Filtarski slojevi trebaju ispunjavati slijedeće uvjeteo propusnost filtra treba biti znatno veća od propusnosti materijala iz kojeg

voda dotječeo granulacija filtarskih slojeva mora biti takva da spriječi dalje prenošenje sitnih

čestica kroz filtaro granulacija materijala filtra ne smije dozvoliti unutrašnju eroziju filtra

FILTARSKO PRAVILO (definirano normom HRN)

(F ndash filtarski materijal O ndash bazni materijal tlo jezgra prethodni filtarski sloj)

a) D15F D 15

O gt5 - onemogućava se začepljenje filtra

b) D15F D 85

O le5 - onemogućava se ispiranje

c) D85O otvor ge2 - promjer zrna 2 puta veći od otvora na drenažnoj cijevi

d) Što ujednačeniji granulometrijski sastav ndash da bi se ostvarila željena vodopropusnost i izbjegla segregacija pri čuvanju transportu i ugrađivanju)

26

REGRESIVNA EROZIJA ndash tunnelling efekt

Regresivna erozija nastaje na plohi na kojoj se pojavljuje tečenje vode (vrelna ploha) i tamo gdje su brzine veće od težina čestica pa se one iznose van

Ako je izlazni gradijent i veći od kritičnog izlaznog gradijenta iKR dolazi do regresivne erozije

i= ΔhΔL

iKR=(1minusn ) ∙ρmaterijalaminusρ v

ρv

igtiKR

n ndash mjera šupljikavosti

Izviranje vode na nizvodnoj kosini može se spriječiti ugradnjom drenažnog sustava Drenovi služe za odvodnju procjedne vode pri malom gradijentu i niskom strujnom

tlaku Zaštita nizvodnog pokosa i stabilnosti nožice ndash primjeri drenažnog sustava

27

ELEMENTI OBLIKOVANJA

1 ŠIRINA KRUNE (B)

Nema značajnijeg utjecaja na stabilnost Ovisi o mogućnosti kretanja strojeva uvjetima sigurnosti u potresnim zonama javna

prometnica

B=1+A ∙radicHA=11minus165

2 KOTA KRUNE (KK)

K K=kr+hm+hp+hd+hs+S

Kr ndash najviša radna kota

hm ndash debljina preljevnog mlaza pri dolasku velikih voda

hp ndash visina penjanja valova uz branu zbog pojave plime u smjeru potiskivanja vode vjetrom

hd ndash porast razine zbog plime

hs ndash porast razine zbog pojave polaganih oscilacija

S ndash sigurnosni dodatak (03 ndash 15 m)

hp=0005 ∙V 106 ∙ Le047

V ndash brzina vjetra u kms

V = kVo Vo ndash brzina mjerena na kopnu

k = 103 ndash 13 Le ndash efikasna duljina razmaha vjetra

28

hd=V 2 ∙ L63 ∙D

∙10minus4 ∙ cosα

D ndash dubina (m)

α ndash kut mjerodavnog vjetra prema okomici na smjer brane

Nadvišenje krune brane ndash zbog konsolidacijskog slijeganja nakon izgradnje (hg = εH)

ε = 001

hgge001 ∙H

3 OBLIKOVANJE KOSINA

zadovoljavanje uvjeta stabilnosti pokosa na klizanje vodoravne berme koje prekidaju jednoliki nagib

uzvodni pokos ndash nasute brane mora biti zaštićen od djelovanja valova i atmosferilija (posebno leda) pa se oblaže kamenim nabačajem ili ako se koristi asfalt-betonski cement-betonski ili AB ekran tada on ima i zaštitnu funkciju

nizvodni pokos ndash zemljane nasute brane najčešće se zatravnjuje (nanošenje nanosa) Ako je brana kamena ne treba zatravnjivati iako se ponekad zatravnjuje iz estetskih razloga (uklapanje u okoliš npr brana na Lokvarskom jezeru)

29

PROCJEĐIVANJE

Q ndash protok kroz branu (jezgru) + protok kroz temeljno tlo

Osnovno pravilo ndash treba težiti da se tlakovi u jezgri i procjedna linija u nizvodnom potpornom tijelu snize na minimum a procjedne vode treba skupiti na dnu i preko zaštićenog drenažnog sustava izvesti izvan brane

Vodoravni zastor ndash produljenje puta procjeđivanja

Uspravna nepropusna brana ndash prekida vodoravni tok kroz propusne naslage usmjerava prema dolje ili zatvara presjek do nepropusne zone (čelično žmurje dijafragma od betona i AB)

Vododrživost temeljnog tla

djelomična ili potpuna zamjena tla ndash produženje jezgretemeljnog klina

uzvodni glineni zastor

30

dijafragma

injektiranje

NOSIVOST I STABILNOST

Brana preuzima hidrostatičko opterećenje i sa svojom vlastitom težinom prenosi ga na temeljno tlo

Mehanička stabilnost brana podrazumijeva

stabilnost kosina (pronalaženje kliznih ploha) stabilnost temeljnog tla

Stabilnost zemljanih nasipa (Coulomb 1773g) zakon otpora vezanog zemljišta na smicanje da je jednadžbom

τ=C+σ ∙tgφ

tj kohezijom (c = const) i unutarnjim trenjem (φ) a tgφ ovisi od normalnog naprezanja (σ) u ravnini smicanja

F s=τ f

τ= čvrstoćanasmicanje

otpor nasmicanje

Nasute brane su nepreljevne u smislu prelijevanja preko krune brane Koriste se bočni bunarski preljevi i sl Prelijevanje preko nasute brane pogotovo ukoliko je ono dugotrajno rezultira erodiranjem nizvodnog pokosa što može rezultirati rušenjem brane

Da se spriječi prelijevanje potrebno je dobro

odrediti visinu krune brane odrediti mjerodavni vodni val (velike vode) dimenzionirati izvesti i održavati evakuacijske organe

31

Ako je nizvodno područje naseljeno evakuacijski organi se dimenzioniraju na maksimalnu veliku vodu Ako je nizvodno područje nenaseljeno te pri poplavljivanju ne može doći do ugrožavanja ljudskih života evakuacijski organi se dimenzioniraju na 1000 ndash godišnju veliku vodu

32

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

Zonirane ndash više materijala koji imaju različite funkcije

o Jezgra ndash osigurava vodonepropusnost ima mali koeficijent provodljivosti i malu otpornost na smicanje ndash glinoviti i prašinasti materijali

o Potporne zone ndash osiguravaju jezgru i podupiru je i s uzvodne strane ndash veća propusnost veća otpornost na smicanje obično manje stlačivosti (zemlja kamen)

Položaj jezgre

- na uzvodnoj strani- u sredini uzvodnog klina- u sredini poprečnog presjeka

BRANE OD KAMENOG NABAČAJA

s vertikalnom ili kosom nepropusnom jezgrom (glina pjeskovita ilovača prašina) ili dijafragmom (geomembrane)

s uzvodnim vodonepropusnim ekranom (AB asfalt-betonski lijevani asflat geomembrane)

23

Problemi

osjetljivost na uvjete ugradnjeo slabo propusni koherentni materijali mogu se ugrađivati u relativno uskim

granicama oko optimalne vlažnostiglinoviti materijali plusmn 5 oko srednje vrijednostiprašinasti materijali optimalna vlaga

na spoju različitih materijala mijenja se gradijent tlaka i procjedne vode što može izazvati ispiranje čestica sitnijih frakcija (erozija i degradacija jezgre)

- potrebna ugradnja FILTARSKIH SLOJEVA

Jezgra leži na betonskoj galeriji da bi se spriječila postupna erozija jezgre vodom koja bi se mogla zadržavati u temeljnoj stijeni

24

3 NASUTE BRANE S UZVODNIM NEPROPUSNIM MATERIJALOM

Kada u blizini nema materijala za jezgru odgovarajuće nepropusnosti ili su klimatski uvjeti nepovoljni za građenje Nepropusni ekran ndash AB asfalt-beton čelični lim

osjetljivost na termičke promjene osjetljivost zbog različitog ponašanja nasutog materijala i materijala obloge osjetljivost zbog kombinacije prirodnog i umjetnog materijala

MATERIJALI ZA NASIPAVANJE ndash moraju zadovoljiti kontradiktorne zahtjeve

velika otpornost na smicanje relativno mala stišljivost mala propusnost mala osjetljivost na promjene vlažnosti

Prema svojstvima

koherentni materijali (glina niske do visoke plastičnosti s lt 10 pijeska male vodopropusnosti i srednje do velike stišljivosti)

nekoherentni materijali (sitnozrnati s lt 50 pijeska male stišljivosti) krupnozrnati materijali ( gt 50 šljunka mala stišljivost srednja čvrstoća na smicanje)

Prema mogućnostima ugradnje

neosjetljivi na održavanje vlažnosti (glinoviti materijali male do srednje vlažnosti) malo osjetljivi na vlažnost pri ugradnji (šljunak pijesak s malo praha) osjetljivi na vlažnost (prašinasti pijesak prah glinoviti prah) ndash mogućnost ugradbe u

uskom rasponu vlažnosti u odnosu na optimalnu

Prema namjeni

za otješnjenje i onemogućavanje procjeđivanja akumulirane vode za potporne zone ndash gotovo svi drenirajući i filtarski slojevi za zaštitnu oblogu uzvodnog i nizvodnog pokosa ndash otporni na eroziju balastni materijali ndash osiguranje od klizanja

25

Treba osigurati

vodonepropusnost tijela brane vodonepropusnost temeljnog tla

Treba osigurati hidrauličku stabilnost brane

zaštitu od unutrašnje erozije zaštitu od regresivne erozije

UNUTRAŠNJA EROZIJA

unutrašnja erozija je ispiranje čestica sitnijeg materijala kroz šupljine većih čestica bolja zbijenost materijala manja mogućnost ispiranja čestica do unutrašnje erozije dolazi na kontaktu različitih materijala Za spriječavanje

unutrašnje erozije izvode se zaštitni filtarski slojevi Moguće je izvesti jedan ili više filtarskih slojeva

svrha filtarskih slojeva je da spriječe unutrašnju eroziju brane i pronošenje sitnih čestica u smjeru toka vode uključujući i slobodne površine na kojima voda izvire

Filtarski slojevi trebaju ispunjavati slijedeće uvjeteo propusnost filtra treba biti znatno veća od propusnosti materijala iz kojeg

voda dotječeo granulacija filtarskih slojeva mora biti takva da spriječi dalje prenošenje sitnih

čestica kroz filtaro granulacija materijala filtra ne smije dozvoliti unutrašnju eroziju filtra

FILTARSKO PRAVILO (definirano normom HRN)

(F ndash filtarski materijal O ndash bazni materijal tlo jezgra prethodni filtarski sloj)

a) D15F D 15

O gt5 - onemogućava se začepljenje filtra

b) D15F D 85

O le5 - onemogućava se ispiranje

c) D85O otvor ge2 - promjer zrna 2 puta veći od otvora na drenažnoj cijevi

d) Što ujednačeniji granulometrijski sastav ndash da bi se ostvarila željena vodopropusnost i izbjegla segregacija pri čuvanju transportu i ugrađivanju)

26

REGRESIVNA EROZIJA ndash tunnelling efekt

Regresivna erozija nastaje na plohi na kojoj se pojavljuje tečenje vode (vrelna ploha) i tamo gdje su brzine veće od težina čestica pa se one iznose van

Ako je izlazni gradijent i veći od kritičnog izlaznog gradijenta iKR dolazi do regresivne erozije

i= ΔhΔL

iKR=(1minusn ) ∙ρmaterijalaminusρ v

ρv

igtiKR

n ndash mjera šupljikavosti

Izviranje vode na nizvodnoj kosini može se spriječiti ugradnjom drenažnog sustava Drenovi služe za odvodnju procjedne vode pri malom gradijentu i niskom strujnom

tlaku Zaštita nizvodnog pokosa i stabilnosti nožice ndash primjeri drenažnog sustava

27

ELEMENTI OBLIKOVANJA

1 ŠIRINA KRUNE (B)

Nema značajnijeg utjecaja na stabilnost Ovisi o mogućnosti kretanja strojeva uvjetima sigurnosti u potresnim zonama javna

prometnica

B=1+A ∙radicHA=11minus165

2 KOTA KRUNE (KK)

K K=kr+hm+hp+hd+hs+S

Kr ndash najviša radna kota

hm ndash debljina preljevnog mlaza pri dolasku velikih voda

hp ndash visina penjanja valova uz branu zbog pojave plime u smjeru potiskivanja vode vjetrom

hd ndash porast razine zbog plime

hs ndash porast razine zbog pojave polaganih oscilacija

S ndash sigurnosni dodatak (03 ndash 15 m)

hp=0005 ∙V 106 ∙ Le047

V ndash brzina vjetra u kms

V = kVo Vo ndash brzina mjerena na kopnu

k = 103 ndash 13 Le ndash efikasna duljina razmaha vjetra

28

hd=V 2 ∙ L63 ∙D

∙10minus4 ∙ cosα

D ndash dubina (m)

α ndash kut mjerodavnog vjetra prema okomici na smjer brane

Nadvišenje krune brane ndash zbog konsolidacijskog slijeganja nakon izgradnje (hg = εH)

ε = 001

hgge001 ∙H

3 OBLIKOVANJE KOSINA

zadovoljavanje uvjeta stabilnosti pokosa na klizanje vodoravne berme koje prekidaju jednoliki nagib

uzvodni pokos ndash nasute brane mora biti zaštićen od djelovanja valova i atmosferilija (posebno leda) pa se oblaže kamenim nabačajem ili ako se koristi asfalt-betonski cement-betonski ili AB ekran tada on ima i zaštitnu funkciju

nizvodni pokos ndash zemljane nasute brane najčešće se zatravnjuje (nanošenje nanosa) Ako je brana kamena ne treba zatravnjivati iako se ponekad zatravnjuje iz estetskih razloga (uklapanje u okoliš npr brana na Lokvarskom jezeru)

29

PROCJEĐIVANJE

Q ndash protok kroz branu (jezgru) + protok kroz temeljno tlo

Osnovno pravilo ndash treba težiti da se tlakovi u jezgri i procjedna linija u nizvodnom potpornom tijelu snize na minimum a procjedne vode treba skupiti na dnu i preko zaštićenog drenažnog sustava izvesti izvan brane

Vodoravni zastor ndash produljenje puta procjeđivanja

Uspravna nepropusna brana ndash prekida vodoravni tok kroz propusne naslage usmjerava prema dolje ili zatvara presjek do nepropusne zone (čelično žmurje dijafragma od betona i AB)

Vododrživost temeljnog tla

djelomična ili potpuna zamjena tla ndash produženje jezgretemeljnog klina

uzvodni glineni zastor

30

dijafragma

injektiranje

NOSIVOST I STABILNOST

Brana preuzima hidrostatičko opterećenje i sa svojom vlastitom težinom prenosi ga na temeljno tlo

Mehanička stabilnost brana podrazumijeva

stabilnost kosina (pronalaženje kliznih ploha) stabilnost temeljnog tla

Stabilnost zemljanih nasipa (Coulomb 1773g) zakon otpora vezanog zemljišta na smicanje da je jednadžbom

τ=C+σ ∙tgφ

tj kohezijom (c = const) i unutarnjim trenjem (φ) a tgφ ovisi od normalnog naprezanja (σ) u ravnini smicanja

F s=τ f

τ= čvrstoćanasmicanje

otpor nasmicanje

Nasute brane su nepreljevne u smislu prelijevanja preko krune brane Koriste se bočni bunarski preljevi i sl Prelijevanje preko nasute brane pogotovo ukoliko je ono dugotrajno rezultira erodiranjem nizvodnog pokosa što može rezultirati rušenjem brane

Da se spriječi prelijevanje potrebno je dobro

odrediti visinu krune brane odrediti mjerodavni vodni val (velike vode) dimenzionirati izvesti i održavati evakuacijske organe

31

Ako je nizvodno područje naseljeno evakuacijski organi se dimenzioniraju na maksimalnu veliku vodu Ako je nizvodno područje nenaseljeno te pri poplavljivanju ne može doći do ugrožavanja ljudskih života evakuacijski organi se dimenzioniraju na 1000 ndash godišnju veliku vodu

32

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

Problemi

osjetljivost na uvjete ugradnjeo slabo propusni koherentni materijali mogu se ugrađivati u relativno uskim

granicama oko optimalne vlažnostiglinoviti materijali plusmn 5 oko srednje vrijednostiprašinasti materijali optimalna vlaga

na spoju različitih materijala mijenja se gradijent tlaka i procjedne vode što može izazvati ispiranje čestica sitnijih frakcija (erozija i degradacija jezgre)

- potrebna ugradnja FILTARSKIH SLOJEVA

Jezgra leži na betonskoj galeriji da bi se spriječila postupna erozija jezgre vodom koja bi se mogla zadržavati u temeljnoj stijeni

24

3 NASUTE BRANE S UZVODNIM NEPROPUSNIM MATERIJALOM

Kada u blizini nema materijala za jezgru odgovarajuće nepropusnosti ili su klimatski uvjeti nepovoljni za građenje Nepropusni ekran ndash AB asfalt-beton čelični lim

osjetljivost na termičke promjene osjetljivost zbog različitog ponašanja nasutog materijala i materijala obloge osjetljivost zbog kombinacije prirodnog i umjetnog materijala

MATERIJALI ZA NASIPAVANJE ndash moraju zadovoljiti kontradiktorne zahtjeve

velika otpornost na smicanje relativno mala stišljivost mala propusnost mala osjetljivost na promjene vlažnosti

Prema svojstvima

koherentni materijali (glina niske do visoke plastičnosti s lt 10 pijeska male vodopropusnosti i srednje do velike stišljivosti)

nekoherentni materijali (sitnozrnati s lt 50 pijeska male stišljivosti) krupnozrnati materijali ( gt 50 šljunka mala stišljivost srednja čvrstoća na smicanje)

Prema mogućnostima ugradnje

neosjetljivi na održavanje vlažnosti (glinoviti materijali male do srednje vlažnosti) malo osjetljivi na vlažnost pri ugradnji (šljunak pijesak s malo praha) osjetljivi na vlažnost (prašinasti pijesak prah glinoviti prah) ndash mogućnost ugradbe u

uskom rasponu vlažnosti u odnosu na optimalnu

Prema namjeni

za otješnjenje i onemogućavanje procjeđivanja akumulirane vode za potporne zone ndash gotovo svi drenirajući i filtarski slojevi za zaštitnu oblogu uzvodnog i nizvodnog pokosa ndash otporni na eroziju balastni materijali ndash osiguranje od klizanja

25

Treba osigurati

vodonepropusnost tijela brane vodonepropusnost temeljnog tla

Treba osigurati hidrauličku stabilnost brane

zaštitu od unutrašnje erozije zaštitu od regresivne erozije

UNUTRAŠNJA EROZIJA

unutrašnja erozija je ispiranje čestica sitnijeg materijala kroz šupljine većih čestica bolja zbijenost materijala manja mogućnost ispiranja čestica do unutrašnje erozije dolazi na kontaktu različitih materijala Za spriječavanje

unutrašnje erozije izvode se zaštitni filtarski slojevi Moguće je izvesti jedan ili više filtarskih slojeva

svrha filtarskih slojeva je da spriječe unutrašnju eroziju brane i pronošenje sitnih čestica u smjeru toka vode uključujući i slobodne površine na kojima voda izvire

Filtarski slojevi trebaju ispunjavati slijedeće uvjeteo propusnost filtra treba biti znatno veća od propusnosti materijala iz kojeg

voda dotječeo granulacija filtarskih slojeva mora biti takva da spriječi dalje prenošenje sitnih

čestica kroz filtaro granulacija materijala filtra ne smije dozvoliti unutrašnju eroziju filtra

FILTARSKO PRAVILO (definirano normom HRN)

(F ndash filtarski materijal O ndash bazni materijal tlo jezgra prethodni filtarski sloj)

a) D15F D 15

O gt5 - onemogućava se začepljenje filtra

b) D15F D 85

O le5 - onemogućava se ispiranje

c) D85O otvor ge2 - promjer zrna 2 puta veći od otvora na drenažnoj cijevi

d) Što ujednačeniji granulometrijski sastav ndash da bi se ostvarila željena vodopropusnost i izbjegla segregacija pri čuvanju transportu i ugrađivanju)

26

REGRESIVNA EROZIJA ndash tunnelling efekt

Regresivna erozija nastaje na plohi na kojoj se pojavljuje tečenje vode (vrelna ploha) i tamo gdje su brzine veće od težina čestica pa se one iznose van

Ako je izlazni gradijent i veći od kritičnog izlaznog gradijenta iKR dolazi do regresivne erozije

i= ΔhΔL

iKR=(1minusn ) ∙ρmaterijalaminusρ v

ρv

igtiKR

n ndash mjera šupljikavosti

Izviranje vode na nizvodnoj kosini može se spriječiti ugradnjom drenažnog sustava Drenovi služe za odvodnju procjedne vode pri malom gradijentu i niskom strujnom

tlaku Zaštita nizvodnog pokosa i stabilnosti nožice ndash primjeri drenažnog sustava

27

ELEMENTI OBLIKOVANJA

1 ŠIRINA KRUNE (B)

Nema značajnijeg utjecaja na stabilnost Ovisi o mogućnosti kretanja strojeva uvjetima sigurnosti u potresnim zonama javna

prometnica

B=1+A ∙radicHA=11minus165

2 KOTA KRUNE (KK)

K K=kr+hm+hp+hd+hs+S

Kr ndash najviša radna kota

hm ndash debljina preljevnog mlaza pri dolasku velikih voda

hp ndash visina penjanja valova uz branu zbog pojave plime u smjeru potiskivanja vode vjetrom

hd ndash porast razine zbog plime

hs ndash porast razine zbog pojave polaganih oscilacija

S ndash sigurnosni dodatak (03 ndash 15 m)

hp=0005 ∙V 106 ∙ Le047

V ndash brzina vjetra u kms

V = kVo Vo ndash brzina mjerena na kopnu

k = 103 ndash 13 Le ndash efikasna duljina razmaha vjetra

28

hd=V 2 ∙ L63 ∙D

∙10minus4 ∙ cosα

D ndash dubina (m)

α ndash kut mjerodavnog vjetra prema okomici na smjer brane

Nadvišenje krune brane ndash zbog konsolidacijskog slijeganja nakon izgradnje (hg = εH)

ε = 001

hgge001 ∙H

3 OBLIKOVANJE KOSINA

zadovoljavanje uvjeta stabilnosti pokosa na klizanje vodoravne berme koje prekidaju jednoliki nagib

uzvodni pokos ndash nasute brane mora biti zaštićen od djelovanja valova i atmosferilija (posebno leda) pa se oblaže kamenim nabačajem ili ako se koristi asfalt-betonski cement-betonski ili AB ekran tada on ima i zaštitnu funkciju

nizvodni pokos ndash zemljane nasute brane najčešće se zatravnjuje (nanošenje nanosa) Ako je brana kamena ne treba zatravnjivati iako se ponekad zatravnjuje iz estetskih razloga (uklapanje u okoliš npr brana na Lokvarskom jezeru)

29

PROCJEĐIVANJE

Q ndash protok kroz branu (jezgru) + protok kroz temeljno tlo

Osnovno pravilo ndash treba težiti da se tlakovi u jezgri i procjedna linija u nizvodnom potpornom tijelu snize na minimum a procjedne vode treba skupiti na dnu i preko zaštićenog drenažnog sustava izvesti izvan brane

Vodoravni zastor ndash produljenje puta procjeđivanja

Uspravna nepropusna brana ndash prekida vodoravni tok kroz propusne naslage usmjerava prema dolje ili zatvara presjek do nepropusne zone (čelično žmurje dijafragma od betona i AB)

Vododrživost temeljnog tla

djelomična ili potpuna zamjena tla ndash produženje jezgretemeljnog klina

uzvodni glineni zastor

30

dijafragma

injektiranje

NOSIVOST I STABILNOST

Brana preuzima hidrostatičko opterećenje i sa svojom vlastitom težinom prenosi ga na temeljno tlo

Mehanička stabilnost brana podrazumijeva

stabilnost kosina (pronalaženje kliznih ploha) stabilnost temeljnog tla

Stabilnost zemljanih nasipa (Coulomb 1773g) zakon otpora vezanog zemljišta na smicanje da je jednadžbom

τ=C+σ ∙tgφ

tj kohezijom (c = const) i unutarnjim trenjem (φ) a tgφ ovisi od normalnog naprezanja (σ) u ravnini smicanja

F s=τ f

τ= čvrstoćanasmicanje

otpor nasmicanje

Nasute brane su nepreljevne u smislu prelijevanja preko krune brane Koriste se bočni bunarski preljevi i sl Prelijevanje preko nasute brane pogotovo ukoliko je ono dugotrajno rezultira erodiranjem nizvodnog pokosa što može rezultirati rušenjem brane

Da se spriječi prelijevanje potrebno je dobro

odrediti visinu krune brane odrediti mjerodavni vodni val (velike vode) dimenzionirati izvesti i održavati evakuacijske organe

31

Ako je nizvodno područje naseljeno evakuacijski organi se dimenzioniraju na maksimalnu veliku vodu Ako je nizvodno područje nenaseljeno te pri poplavljivanju ne može doći do ugrožavanja ljudskih života evakuacijski organi se dimenzioniraju na 1000 ndash godišnju veliku vodu

32

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

3 NASUTE BRANE S UZVODNIM NEPROPUSNIM MATERIJALOM

Kada u blizini nema materijala za jezgru odgovarajuće nepropusnosti ili su klimatski uvjeti nepovoljni za građenje Nepropusni ekran ndash AB asfalt-beton čelični lim

osjetljivost na termičke promjene osjetljivost zbog različitog ponašanja nasutog materijala i materijala obloge osjetljivost zbog kombinacije prirodnog i umjetnog materijala

MATERIJALI ZA NASIPAVANJE ndash moraju zadovoljiti kontradiktorne zahtjeve

velika otpornost na smicanje relativno mala stišljivost mala propusnost mala osjetljivost na promjene vlažnosti

Prema svojstvima

koherentni materijali (glina niske do visoke plastičnosti s lt 10 pijeska male vodopropusnosti i srednje do velike stišljivosti)

nekoherentni materijali (sitnozrnati s lt 50 pijeska male stišljivosti) krupnozrnati materijali ( gt 50 šljunka mala stišljivost srednja čvrstoća na smicanje)

Prema mogućnostima ugradnje

neosjetljivi na održavanje vlažnosti (glinoviti materijali male do srednje vlažnosti) malo osjetljivi na vlažnost pri ugradnji (šljunak pijesak s malo praha) osjetljivi na vlažnost (prašinasti pijesak prah glinoviti prah) ndash mogućnost ugradbe u

uskom rasponu vlažnosti u odnosu na optimalnu

Prema namjeni

za otješnjenje i onemogućavanje procjeđivanja akumulirane vode za potporne zone ndash gotovo svi drenirajući i filtarski slojevi za zaštitnu oblogu uzvodnog i nizvodnog pokosa ndash otporni na eroziju balastni materijali ndash osiguranje od klizanja

25

Treba osigurati

vodonepropusnost tijela brane vodonepropusnost temeljnog tla

Treba osigurati hidrauličku stabilnost brane

zaštitu od unutrašnje erozije zaštitu od regresivne erozije

UNUTRAŠNJA EROZIJA

unutrašnja erozija je ispiranje čestica sitnijeg materijala kroz šupljine većih čestica bolja zbijenost materijala manja mogućnost ispiranja čestica do unutrašnje erozije dolazi na kontaktu različitih materijala Za spriječavanje

unutrašnje erozije izvode se zaštitni filtarski slojevi Moguće je izvesti jedan ili više filtarskih slojeva

svrha filtarskih slojeva je da spriječe unutrašnju eroziju brane i pronošenje sitnih čestica u smjeru toka vode uključujući i slobodne površine na kojima voda izvire

Filtarski slojevi trebaju ispunjavati slijedeće uvjeteo propusnost filtra treba biti znatno veća od propusnosti materijala iz kojeg

voda dotječeo granulacija filtarskih slojeva mora biti takva da spriječi dalje prenošenje sitnih

čestica kroz filtaro granulacija materijala filtra ne smije dozvoliti unutrašnju eroziju filtra

FILTARSKO PRAVILO (definirano normom HRN)

(F ndash filtarski materijal O ndash bazni materijal tlo jezgra prethodni filtarski sloj)

a) D15F D 15

O gt5 - onemogućava se začepljenje filtra

b) D15F D 85

O le5 - onemogućava se ispiranje

c) D85O otvor ge2 - promjer zrna 2 puta veći od otvora na drenažnoj cijevi

d) Što ujednačeniji granulometrijski sastav ndash da bi se ostvarila željena vodopropusnost i izbjegla segregacija pri čuvanju transportu i ugrađivanju)

26

REGRESIVNA EROZIJA ndash tunnelling efekt

Regresivna erozija nastaje na plohi na kojoj se pojavljuje tečenje vode (vrelna ploha) i tamo gdje su brzine veće od težina čestica pa se one iznose van

Ako je izlazni gradijent i veći od kritičnog izlaznog gradijenta iKR dolazi do regresivne erozije

i= ΔhΔL

iKR=(1minusn ) ∙ρmaterijalaminusρ v

ρv

igtiKR

n ndash mjera šupljikavosti

Izviranje vode na nizvodnoj kosini može se spriječiti ugradnjom drenažnog sustava Drenovi služe za odvodnju procjedne vode pri malom gradijentu i niskom strujnom

tlaku Zaštita nizvodnog pokosa i stabilnosti nožice ndash primjeri drenažnog sustava

27

ELEMENTI OBLIKOVANJA

1 ŠIRINA KRUNE (B)

Nema značajnijeg utjecaja na stabilnost Ovisi o mogućnosti kretanja strojeva uvjetima sigurnosti u potresnim zonama javna

prometnica

B=1+A ∙radicHA=11minus165

2 KOTA KRUNE (KK)

K K=kr+hm+hp+hd+hs+S

Kr ndash najviša radna kota

hm ndash debljina preljevnog mlaza pri dolasku velikih voda

hp ndash visina penjanja valova uz branu zbog pojave plime u smjeru potiskivanja vode vjetrom

hd ndash porast razine zbog plime

hs ndash porast razine zbog pojave polaganih oscilacija

S ndash sigurnosni dodatak (03 ndash 15 m)

hp=0005 ∙V 106 ∙ Le047

V ndash brzina vjetra u kms

V = kVo Vo ndash brzina mjerena na kopnu

k = 103 ndash 13 Le ndash efikasna duljina razmaha vjetra

28

hd=V 2 ∙ L63 ∙D

∙10minus4 ∙ cosα

D ndash dubina (m)

α ndash kut mjerodavnog vjetra prema okomici na smjer brane

Nadvišenje krune brane ndash zbog konsolidacijskog slijeganja nakon izgradnje (hg = εH)

ε = 001

hgge001 ∙H

3 OBLIKOVANJE KOSINA

zadovoljavanje uvjeta stabilnosti pokosa na klizanje vodoravne berme koje prekidaju jednoliki nagib

uzvodni pokos ndash nasute brane mora biti zaštićen od djelovanja valova i atmosferilija (posebno leda) pa se oblaže kamenim nabačajem ili ako se koristi asfalt-betonski cement-betonski ili AB ekran tada on ima i zaštitnu funkciju

nizvodni pokos ndash zemljane nasute brane najčešće se zatravnjuje (nanošenje nanosa) Ako je brana kamena ne treba zatravnjivati iako se ponekad zatravnjuje iz estetskih razloga (uklapanje u okoliš npr brana na Lokvarskom jezeru)

29

PROCJEĐIVANJE

Q ndash protok kroz branu (jezgru) + protok kroz temeljno tlo

Osnovno pravilo ndash treba težiti da se tlakovi u jezgri i procjedna linija u nizvodnom potpornom tijelu snize na minimum a procjedne vode treba skupiti na dnu i preko zaštićenog drenažnog sustava izvesti izvan brane

Vodoravni zastor ndash produljenje puta procjeđivanja

Uspravna nepropusna brana ndash prekida vodoravni tok kroz propusne naslage usmjerava prema dolje ili zatvara presjek do nepropusne zone (čelično žmurje dijafragma od betona i AB)

Vododrživost temeljnog tla

djelomična ili potpuna zamjena tla ndash produženje jezgretemeljnog klina

uzvodni glineni zastor

30

dijafragma

injektiranje

NOSIVOST I STABILNOST

Brana preuzima hidrostatičko opterećenje i sa svojom vlastitom težinom prenosi ga na temeljno tlo

Mehanička stabilnost brana podrazumijeva

stabilnost kosina (pronalaženje kliznih ploha) stabilnost temeljnog tla

Stabilnost zemljanih nasipa (Coulomb 1773g) zakon otpora vezanog zemljišta na smicanje da je jednadžbom

τ=C+σ ∙tgφ

tj kohezijom (c = const) i unutarnjim trenjem (φ) a tgφ ovisi od normalnog naprezanja (σ) u ravnini smicanja

F s=τ f

τ= čvrstoćanasmicanje

otpor nasmicanje

Nasute brane su nepreljevne u smislu prelijevanja preko krune brane Koriste se bočni bunarski preljevi i sl Prelijevanje preko nasute brane pogotovo ukoliko je ono dugotrajno rezultira erodiranjem nizvodnog pokosa što može rezultirati rušenjem brane

Da se spriječi prelijevanje potrebno je dobro

odrediti visinu krune brane odrediti mjerodavni vodni val (velike vode) dimenzionirati izvesti i održavati evakuacijske organe

31

Ako je nizvodno područje naseljeno evakuacijski organi se dimenzioniraju na maksimalnu veliku vodu Ako je nizvodno područje nenaseljeno te pri poplavljivanju ne može doći do ugrožavanja ljudskih života evakuacijski organi se dimenzioniraju na 1000 ndash godišnju veliku vodu

32

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

Treba osigurati

vodonepropusnost tijela brane vodonepropusnost temeljnog tla

Treba osigurati hidrauličku stabilnost brane

zaštitu od unutrašnje erozije zaštitu od regresivne erozije

UNUTRAŠNJA EROZIJA

unutrašnja erozija je ispiranje čestica sitnijeg materijala kroz šupljine većih čestica bolja zbijenost materijala manja mogućnost ispiranja čestica do unutrašnje erozije dolazi na kontaktu različitih materijala Za spriječavanje

unutrašnje erozije izvode se zaštitni filtarski slojevi Moguće je izvesti jedan ili više filtarskih slojeva

svrha filtarskih slojeva je da spriječe unutrašnju eroziju brane i pronošenje sitnih čestica u smjeru toka vode uključujući i slobodne površine na kojima voda izvire

Filtarski slojevi trebaju ispunjavati slijedeće uvjeteo propusnost filtra treba biti znatno veća od propusnosti materijala iz kojeg

voda dotječeo granulacija filtarskih slojeva mora biti takva da spriječi dalje prenošenje sitnih

čestica kroz filtaro granulacija materijala filtra ne smije dozvoliti unutrašnju eroziju filtra

FILTARSKO PRAVILO (definirano normom HRN)

(F ndash filtarski materijal O ndash bazni materijal tlo jezgra prethodni filtarski sloj)

a) D15F D 15

O gt5 - onemogućava se začepljenje filtra

b) D15F D 85

O le5 - onemogućava se ispiranje

c) D85O otvor ge2 - promjer zrna 2 puta veći od otvora na drenažnoj cijevi

d) Što ujednačeniji granulometrijski sastav ndash da bi se ostvarila željena vodopropusnost i izbjegla segregacija pri čuvanju transportu i ugrađivanju)

26

REGRESIVNA EROZIJA ndash tunnelling efekt

Regresivna erozija nastaje na plohi na kojoj se pojavljuje tečenje vode (vrelna ploha) i tamo gdje su brzine veće od težina čestica pa se one iznose van

Ako je izlazni gradijent i veći od kritičnog izlaznog gradijenta iKR dolazi do regresivne erozije

i= ΔhΔL

iKR=(1minusn ) ∙ρmaterijalaminusρ v

ρv

igtiKR

n ndash mjera šupljikavosti

Izviranje vode na nizvodnoj kosini može se spriječiti ugradnjom drenažnog sustava Drenovi služe za odvodnju procjedne vode pri malom gradijentu i niskom strujnom

tlaku Zaštita nizvodnog pokosa i stabilnosti nožice ndash primjeri drenažnog sustava

27

ELEMENTI OBLIKOVANJA

1 ŠIRINA KRUNE (B)

Nema značajnijeg utjecaja na stabilnost Ovisi o mogućnosti kretanja strojeva uvjetima sigurnosti u potresnim zonama javna

prometnica

B=1+A ∙radicHA=11minus165

2 KOTA KRUNE (KK)

K K=kr+hm+hp+hd+hs+S

Kr ndash najviša radna kota

hm ndash debljina preljevnog mlaza pri dolasku velikih voda

hp ndash visina penjanja valova uz branu zbog pojave plime u smjeru potiskivanja vode vjetrom

hd ndash porast razine zbog plime

hs ndash porast razine zbog pojave polaganih oscilacija

S ndash sigurnosni dodatak (03 ndash 15 m)

hp=0005 ∙V 106 ∙ Le047

V ndash brzina vjetra u kms

V = kVo Vo ndash brzina mjerena na kopnu

k = 103 ndash 13 Le ndash efikasna duljina razmaha vjetra

28

hd=V 2 ∙ L63 ∙D

∙10minus4 ∙ cosα

D ndash dubina (m)

α ndash kut mjerodavnog vjetra prema okomici na smjer brane

Nadvišenje krune brane ndash zbog konsolidacijskog slijeganja nakon izgradnje (hg = εH)

ε = 001

hgge001 ∙H

3 OBLIKOVANJE KOSINA

zadovoljavanje uvjeta stabilnosti pokosa na klizanje vodoravne berme koje prekidaju jednoliki nagib

uzvodni pokos ndash nasute brane mora biti zaštićen od djelovanja valova i atmosferilija (posebno leda) pa se oblaže kamenim nabačajem ili ako se koristi asfalt-betonski cement-betonski ili AB ekran tada on ima i zaštitnu funkciju

nizvodni pokos ndash zemljane nasute brane najčešće se zatravnjuje (nanošenje nanosa) Ako je brana kamena ne treba zatravnjivati iako se ponekad zatravnjuje iz estetskih razloga (uklapanje u okoliš npr brana na Lokvarskom jezeru)

29

PROCJEĐIVANJE

Q ndash protok kroz branu (jezgru) + protok kroz temeljno tlo

Osnovno pravilo ndash treba težiti da se tlakovi u jezgri i procjedna linija u nizvodnom potpornom tijelu snize na minimum a procjedne vode treba skupiti na dnu i preko zaštićenog drenažnog sustava izvesti izvan brane

Vodoravni zastor ndash produljenje puta procjeđivanja

Uspravna nepropusna brana ndash prekida vodoravni tok kroz propusne naslage usmjerava prema dolje ili zatvara presjek do nepropusne zone (čelično žmurje dijafragma od betona i AB)

Vododrživost temeljnog tla

djelomična ili potpuna zamjena tla ndash produženje jezgretemeljnog klina

uzvodni glineni zastor

30

dijafragma

injektiranje

NOSIVOST I STABILNOST

Brana preuzima hidrostatičko opterećenje i sa svojom vlastitom težinom prenosi ga na temeljno tlo

Mehanička stabilnost brana podrazumijeva

stabilnost kosina (pronalaženje kliznih ploha) stabilnost temeljnog tla

Stabilnost zemljanih nasipa (Coulomb 1773g) zakon otpora vezanog zemljišta na smicanje da je jednadžbom

τ=C+σ ∙tgφ

tj kohezijom (c = const) i unutarnjim trenjem (φ) a tgφ ovisi od normalnog naprezanja (σ) u ravnini smicanja

F s=τ f

τ= čvrstoćanasmicanje

otpor nasmicanje

Nasute brane su nepreljevne u smislu prelijevanja preko krune brane Koriste se bočni bunarski preljevi i sl Prelijevanje preko nasute brane pogotovo ukoliko je ono dugotrajno rezultira erodiranjem nizvodnog pokosa što može rezultirati rušenjem brane

Da se spriječi prelijevanje potrebno je dobro

odrediti visinu krune brane odrediti mjerodavni vodni val (velike vode) dimenzionirati izvesti i održavati evakuacijske organe

31

Ako je nizvodno područje naseljeno evakuacijski organi se dimenzioniraju na maksimalnu veliku vodu Ako je nizvodno područje nenaseljeno te pri poplavljivanju ne može doći do ugrožavanja ljudskih života evakuacijski organi se dimenzioniraju na 1000 ndash godišnju veliku vodu

32

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

REGRESIVNA EROZIJA ndash tunnelling efekt

Regresivna erozija nastaje na plohi na kojoj se pojavljuje tečenje vode (vrelna ploha) i tamo gdje su brzine veće od težina čestica pa se one iznose van

Ako je izlazni gradijent i veći od kritičnog izlaznog gradijenta iKR dolazi do regresivne erozije

i= ΔhΔL

iKR=(1minusn ) ∙ρmaterijalaminusρ v

ρv

igtiKR

n ndash mjera šupljikavosti

Izviranje vode na nizvodnoj kosini može se spriječiti ugradnjom drenažnog sustava Drenovi služe za odvodnju procjedne vode pri malom gradijentu i niskom strujnom

tlaku Zaštita nizvodnog pokosa i stabilnosti nožice ndash primjeri drenažnog sustava

27

ELEMENTI OBLIKOVANJA

1 ŠIRINA KRUNE (B)

Nema značajnijeg utjecaja na stabilnost Ovisi o mogućnosti kretanja strojeva uvjetima sigurnosti u potresnim zonama javna

prometnica

B=1+A ∙radicHA=11minus165

2 KOTA KRUNE (KK)

K K=kr+hm+hp+hd+hs+S

Kr ndash najviša radna kota

hm ndash debljina preljevnog mlaza pri dolasku velikih voda

hp ndash visina penjanja valova uz branu zbog pojave plime u smjeru potiskivanja vode vjetrom

hd ndash porast razine zbog plime

hs ndash porast razine zbog pojave polaganih oscilacija

S ndash sigurnosni dodatak (03 ndash 15 m)

hp=0005 ∙V 106 ∙ Le047

V ndash brzina vjetra u kms

V = kVo Vo ndash brzina mjerena na kopnu

k = 103 ndash 13 Le ndash efikasna duljina razmaha vjetra

28

hd=V 2 ∙ L63 ∙D

∙10minus4 ∙ cosα

D ndash dubina (m)

α ndash kut mjerodavnog vjetra prema okomici na smjer brane

Nadvišenje krune brane ndash zbog konsolidacijskog slijeganja nakon izgradnje (hg = εH)

ε = 001

hgge001 ∙H

3 OBLIKOVANJE KOSINA

zadovoljavanje uvjeta stabilnosti pokosa na klizanje vodoravne berme koje prekidaju jednoliki nagib

uzvodni pokos ndash nasute brane mora biti zaštićen od djelovanja valova i atmosferilija (posebno leda) pa se oblaže kamenim nabačajem ili ako se koristi asfalt-betonski cement-betonski ili AB ekran tada on ima i zaštitnu funkciju

nizvodni pokos ndash zemljane nasute brane najčešće se zatravnjuje (nanošenje nanosa) Ako je brana kamena ne treba zatravnjivati iako se ponekad zatravnjuje iz estetskih razloga (uklapanje u okoliš npr brana na Lokvarskom jezeru)

29

PROCJEĐIVANJE

Q ndash protok kroz branu (jezgru) + protok kroz temeljno tlo

Osnovno pravilo ndash treba težiti da se tlakovi u jezgri i procjedna linija u nizvodnom potpornom tijelu snize na minimum a procjedne vode treba skupiti na dnu i preko zaštićenog drenažnog sustava izvesti izvan brane

Vodoravni zastor ndash produljenje puta procjeđivanja

Uspravna nepropusna brana ndash prekida vodoravni tok kroz propusne naslage usmjerava prema dolje ili zatvara presjek do nepropusne zone (čelično žmurje dijafragma od betona i AB)

Vododrživost temeljnog tla

djelomična ili potpuna zamjena tla ndash produženje jezgretemeljnog klina

uzvodni glineni zastor

30

dijafragma

injektiranje

NOSIVOST I STABILNOST

Brana preuzima hidrostatičko opterećenje i sa svojom vlastitom težinom prenosi ga na temeljno tlo

Mehanička stabilnost brana podrazumijeva

stabilnost kosina (pronalaženje kliznih ploha) stabilnost temeljnog tla

Stabilnost zemljanih nasipa (Coulomb 1773g) zakon otpora vezanog zemljišta na smicanje da je jednadžbom

τ=C+σ ∙tgφ

tj kohezijom (c = const) i unutarnjim trenjem (φ) a tgφ ovisi od normalnog naprezanja (σ) u ravnini smicanja

F s=τ f

τ= čvrstoćanasmicanje

otpor nasmicanje

Nasute brane su nepreljevne u smislu prelijevanja preko krune brane Koriste se bočni bunarski preljevi i sl Prelijevanje preko nasute brane pogotovo ukoliko je ono dugotrajno rezultira erodiranjem nizvodnog pokosa što može rezultirati rušenjem brane

Da se spriječi prelijevanje potrebno je dobro

odrediti visinu krune brane odrediti mjerodavni vodni val (velike vode) dimenzionirati izvesti i održavati evakuacijske organe

31

Ako je nizvodno područje naseljeno evakuacijski organi se dimenzioniraju na maksimalnu veliku vodu Ako je nizvodno područje nenaseljeno te pri poplavljivanju ne može doći do ugrožavanja ljudskih života evakuacijski organi se dimenzioniraju na 1000 ndash godišnju veliku vodu

32

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

ELEMENTI OBLIKOVANJA

1 ŠIRINA KRUNE (B)

Nema značajnijeg utjecaja na stabilnost Ovisi o mogućnosti kretanja strojeva uvjetima sigurnosti u potresnim zonama javna

prometnica

B=1+A ∙radicHA=11minus165

2 KOTA KRUNE (KK)

K K=kr+hm+hp+hd+hs+S

Kr ndash najviša radna kota

hm ndash debljina preljevnog mlaza pri dolasku velikih voda

hp ndash visina penjanja valova uz branu zbog pojave plime u smjeru potiskivanja vode vjetrom

hd ndash porast razine zbog plime

hs ndash porast razine zbog pojave polaganih oscilacija

S ndash sigurnosni dodatak (03 ndash 15 m)

hp=0005 ∙V 106 ∙ Le047

V ndash brzina vjetra u kms

V = kVo Vo ndash brzina mjerena na kopnu

k = 103 ndash 13 Le ndash efikasna duljina razmaha vjetra

28

hd=V 2 ∙ L63 ∙D

∙10minus4 ∙ cosα

D ndash dubina (m)

α ndash kut mjerodavnog vjetra prema okomici na smjer brane

Nadvišenje krune brane ndash zbog konsolidacijskog slijeganja nakon izgradnje (hg = εH)

ε = 001

hgge001 ∙H

3 OBLIKOVANJE KOSINA

zadovoljavanje uvjeta stabilnosti pokosa na klizanje vodoravne berme koje prekidaju jednoliki nagib

uzvodni pokos ndash nasute brane mora biti zaštićen od djelovanja valova i atmosferilija (posebno leda) pa se oblaže kamenim nabačajem ili ako se koristi asfalt-betonski cement-betonski ili AB ekran tada on ima i zaštitnu funkciju

nizvodni pokos ndash zemljane nasute brane najčešće se zatravnjuje (nanošenje nanosa) Ako je brana kamena ne treba zatravnjivati iako se ponekad zatravnjuje iz estetskih razloga (uklapanje u okoliš npr brana na Lokvarskom jezeru)

29

PROCJEĐIVANJE

Q ndash protok kroz branu (jezgru) + protok kroz temeljno tlo

Osnovno pravilo ndash treba težiti da se tlakovi u jezgri i procjedna linija u nizvodnom potpornom tijelu snize na minimum a procjedne vode treba skupiti na dnu i preko zaštićenog drenažnog sustava izvesti izvan brane

Vodoravni zastor ndash produljenje puta procjeđivanja

Uspravna nepropusna brana ndash prekida vodoravni tok kroz propusne naslage usmjerava prema dolje ili zatvara presjek do nepropusne zone (čelično žmurje dijafragma od betona i AB)

Vododrživost temeljnog tla

djelomična ili potpuna zamjena tla ndash produženje jezgretemeljnog klina

uzvodni glineni zastor

30

dijafragma

injektiranje

NOSIVOST I STABILNOST

Brana preuzima hidrostatičko opterećenje i sa svojom vlastitom težinom prenosi ga na temeljno tlo

Mehanička stabilnost brana podrazumijeva

stabilnost kosina (pronalaženje kliznih ploha) stabilnost temeljnog tla

Stabilnost zemljanih nasipa (Coulomb 1773g) zakon otpora vezanog zemljišta na smicanje da je jednadžbom

τ=C+σ ∙tgφ

tj kohezijom (c = const) i unutarnjim trenjem (φ) a tgφ ovisi od normalnog naprezanja (σ) u ravnini smicanja

F s=τ f

τ= čvrstoćanasmicanje

otpor nasmicanje

Nasute brane su nepreljevne u smislu prelijevanja preko krune brane Koriste se bočni bunarski preljevi i sl Prelijevanje preko nasute brane pogotovo ukoliko je ono dugotrajno rezultira erodiranjem nizvodnog pokosa što može rezultirati rušenjem brane

Da se spriječi prelijevanje potrebno je dobro

odrediti visinu krune brane odrediti mjerodavni vodni val (velike vode) dimenzionirati izvesti i održavati evakuacijske organe

31

Ako je nizvodno područje naseljeno evakuacijski organi se dimenzioniraju na maksimalnu veliku vodu Ako je nizvodno područje nenaseljeno te pri poplavljivanju ne može doći do ugrožavanja ljudskih života evakuacijski organi se dimenzioniraju na 1000 ndash godišnju veliku vodu

32

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

hd=V 2 ∙ L63 ∙D

∙10minus4 ∙ cosα

D ndash dubina (m)

α ndash kut mjerodavnog vjetra prema okomici na smjer brane

Nadvišenje krune brane ndash zbog konsolidacijskog slijeganja nakon izgradnje (hg = εH)

ε = 001

hgge001 ∙H

3 OBLIKOVANJE KOSINA

zadovoljavanje uvjeta stabilnosti pokosa na klizanje vodoravne berme koje prekidaju jednoliki nagib

uzvodni pokos ndash nasute brane mora biti zaštićen od djelovanja valova i atmosferilija (posebno leda) pa se oblaže kamenim nabačajem ili ako se koristi asfalt-betonski cement-betonski ili AB ekran tada on ima i zaštitnu funkciju

nizvodni pokos ndash zemljane nasute brane najčešće se zatravnjuje (nanošenje nanosa) Ako je brana kamena ne treba zatravnjivati iako se ponekad zatravnjuje iz estetskih razloga (uklapanje u okoliš npr brana na Lokvarskom jezeru)

29

PROCJEĐIVANJE

Q ndash protok kroz branu (jezgru) + protok kroz temeljno tlo

Osnovno pravilo ndash treba težiti da se tlakovi u jezgri i procjedna linija u nizvodnom potpornom tijelu snize na minimum a procjedne vode treba skupiti na dnu i preko zaštićenog drenažnog sustava izvesti izvan brane

Vodoravni zastor ndash produljenje puta procjeđivanja

Uspravna nepropusna brana ndash prekida vodoravni tok kroz propusne naslage usmjerava prema dolje ili zatvara presjek do nepropusne zone (čelično žmurje dijafragma od betona i AB)

Vododrživost temeljnog tla

djelomična ili potpuna zamjena tla ndash produženje jezgretemeljnog klina

uzvodni glineni zastor

30

dijafragma

injektiranje

NOSIVOST I STABILNOST

Brana preuzima hidrostatičko opterećenje i sa svojom vlastitom težinom prenosi ga na temeljno tlo

Mehanička stabilnost brana podrazumijeva

stabilnost kosina (pronalaženje kliznih ploha) stabilnost temeljnog tla

Stabilnost zemljanih nasipa (Coulomb 1773g) zakon otpora vezanog zemljišta na smicanje da je jednadžbom

τ=C+σ ∙tgφ

tj kohezijom (c = const) i unutarnjim trenjem (φ) a tgφ ovisi od normalnog naprezanja (σ) u ravnini smicanja

F s=τ f

τ= čvrstoćanasmicanje

otpor nasmicanje

Nasute brane su nepreljevne u smislu prelijevanja preko krune brane Koriste se bočni bunarski preljevi i sl Prelijevanje preko nasute brane pogotovo ukoliko je ono dugotrajno rezultira erodiranjem nizvodnog pokosa što može rezultirati rušenjem brane

Da se spriječi prelijevanje potrebno je dobro

odrediti visinu krune brane odrediti mjerodavni vodni val (velike vode) dimenzionirati izvesti i održavati evakuacijske organe

31

Ako je nizvodno područje naseljeno evakuacijski organi se dimenzioniraju na maksimalnu veliku vodu Ako je nizvodno područje nenaseljeno te pri poplavljivanju ne može doći do ugrožavanja ljudskih života evakuacijski organi se dimenzioniraju na 1000 ndash godišnju veliku vodu

32

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

PROCJEĐIVANJE

Q ndash protok kroz branu (jezgru) + protok kroz temeljno tlo

Osnovno pravilo ndash treba težiti da se tlakovi u jezgri i procjedna linija u nizvodnom potpornom tijelu snize na minimum a procjedne vode treba skupiti na dnu i preko zaštićenog drenažnog sustava izvesti izvan brane

Vodoravni zastor ndash produljenje puta procjeđivanja

Uspravna nepropusna brana ndash prekida vodoravni tok kroz propusne naslage usmjerava prema dolje ili zatvara presjek do nepropusne zone (čelično žmurje dijafragma od betona i AB)

Vododrživost temeljnog tla

djelomična ili potpuna zamjena tla ndash produženje jezgretemeljnog klina

uzvodni glineni zastor

30

dijafragma

injektiranje

NOSIVOST I STABILNOST

Brana preuzima hidrostatičko opterećenje i sa svojom vlastitom težinom prenosi ga na temeljno tlo

Mehanička stabilnost brana podrazumijeva

stabilnost kosina (pronalaženje kliznih ploha) stabilnost temeljnog tla

Stabilnost zemljanih nasipa (Coulomb 1773g) zakon otpora vezanog zemljišta na smicanje da je jednadžbom

τ=C+σ ∙tgφ

tj kohezijom (c = const) i unutarnjim trenjem (φ) a tgφ ovisi od normalnog naprezanja (σ) u ravnini smicanja

F s=τ f

τ= čvrstoćanasmicanje

otpor nasmicanje

Nasute brane su nepreljevne u smislu prelijevanja preko krune brane Koriste se bočni bunarski preljevi i sl Prelijevanje preko nasute brane pogotovo ukoliko je ono dugotrajno rezultira erodiranjem nizvodnog pokosa što može rezultirati rušenjem brane

Da se spriječi prelijevanje potrebno je dobro

odrediti visinu krune brane odrediti mjerodavni vodni val (velike vode) dimenzionirati izvesti i održavati evakuacijske organe

31

Ako je nizvodno područje naseljeno evakuacijski organi se dimenzioniraju na maksimalnu veliku vodu Ako je nizvodno područje nenaseljeno te pri poplavljivanju ne može doći do ugrožavanja ljudskih života evakuacijski organi se dimenzioniraju na 1000 ndash godišnju veliku vodu

32

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

dijafragma

injektiranje

NOSIVOST I STABILNOST

Brana preuzima hidrostatičko opterećenje i sa svojom vlastitom težinom prenosi ga na temeljno tlo

Mehanička stabilnost brana podrazumijeva

stabilnost kosina (pronalaženje kliznih ploha) stabilnost temeljnog tla

Stabilnost zemljanih nasipa (Coulomb 1773g) zakon otpora vezanog zemljišta na smicanje da je jednadžbom

τ=C+σ ∙tgφ

tj kohezijom (c = const) i unutarnjim trenjem (φ) a tgφ ovisi od normalnog naprezanja (σ) u ravnini smicanja

F s=τ f

τ= čvrstoćanasmicanje

otpor nasmicanje

Nasute brane su nepreljevne u smislu prelijevanja preko krune brane Koriste se bočni bunarski preljevi i sl Prelijevanje preko nasute brane pogotovo ukoliko je ono dugotrajno rezultira erodiranjem nizvodnog pokosa što može rezultirati rušenjem brane

Da se spriječi prelijevanje potrebno je dobro

odrediti visinu krune brane odrediti mjerodavni vodni val (velike vode) dimenzionirati izvesti i održavati evakuacijske organe

31

Ako je nizvodno područje naseljeno evakuacijski organi se dimenzioniraju na maksimalnu veliku vodu Ako je nizvodno područje nenaseljeno te pri poplavljivanju ne može doći do ugrožavanja ljudskih života evakuacijski organi se dimenzioniraju na 1000 ndash godišnju veliku vodu

32

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

Ako je nizvodno područje naseljeno evakuacijski organi se dimenzioniraju na maksimalnu veliku vodu Ako je nizvodno područje nenaseljeno te pri poplavljivanju ne može doći do ugrožavanja ljudskih života evakuacijski organi se dimenzioniraju na 1000 ndash godišnju veliku vodu

32

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

62 GRAVITACIJSKE BRANE

Masivne pretežito betonske koje se djelovanju vanjskih sila odupiru isključivo svojom težinom Najvažnija karakteristika ndash stabilnost Do kraja 18st ndash pravokutnog poprečnog presjeka zidane od kamena u cementnom mortu

Razvoj

Težina dovoljno velika da se postigne sigurnost protiv okretanja oko zamišljenog centra (nizvodni rub poprečnog presjeka) i da se postigne sigurnost na klizanje duž temeljne plohe U 19st uvodi se proračun kao štap jednake otpornosti (Navier)

razvoj teorije proračuna (Rankin) ndash ne dozvoljava pojavu vlačnih naprezanja u tijelu brane i temeljima

dozvoljena neznatna vlačna naprezanja isključivo kod seizmičkih utjecaja rezultanta svih sila ne smije prolaziti izvan srednje trećine vodoravnog presjeka ndash važi

i danas

33

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

Ako djelujeG ndash težinaH ndash sila hidrostatskog tlakaV ndash težina vodeU ndash uzgon

Uz uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja racionalni oblik bi bio s podvjesom (negativni nagib uzvodnog lica)

Zadovoljeno je velika težina ekonomičan utrošak materijala stabilnost

Uvjet da na uzvodnoj strani nema vlačnih naprezanja

σ 12=sum N

b∙ lplusmn6 ∙

sumM

b2 ∙l

Za σ 2=0 dobije se

b2=ρ v ∙ h

2

ρb ∙ (1minusn )+ ρv ∙n ∙ (2minusn )minusρv ∙m

b= h

radic ρbρv∙ (1minusn )+n (2minusn )minusm

Minimalna širina temelja bit će ako je izraz pod korijenom maksimalan odnosno

n=2minus

ρbρv

2

n = -(01 ndash 02)

m ndash koeficijent uzgona (β)

mρv ndash uzgon

b = nb + (1-n)b ndash širina temelja

34

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

b= h

radic ρbρv

minusm

za vertikalnouzvodnolice

Branu s podvjesom je teško izgraditi a vrijednost n je mala pa se optimalnim presjekom smatra vertikalno uzvodno lice

Provjera naprezanja uzvodno i nizvodno Određivanje širine (b) racionalnog presjeka uz uvjet da nema vlačnih naprezanja

bh= 1

radic ρb

ρ v

minusm

=ctg β2le1

Ako je zadovoljen uvjet bh nema pojave vlačnih naprezanja β2 ndash kut nizvodnog lica brane i temeljne plohe

ODNOS bH VH

Geometrijski oblici brane koji ispunjavaju uvjete stabilnosti za 1 m dužine

Gravitacijske brane promatramo kao konzolu promjenjive debljine poprečnog presjeka i momenta inercije Na kontaktnoj zoni djeluje moment normalna i poprečna sila (MNT)

35

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

Brana = kruto tijelo

Podloga = elastično popustljiva u translacijskom i rotacijskom smislu

Pretpostavljena točka rotacije ovisi o homogenosti podloge

OPTEREĆENJE BRANE

VOLUMENSKE SILE ndash ovisne o volumenu i pojavljuju se unutar konture tijela brane i ovise o fizikalnim karakteristikama i masi

o temp hidratacijeo skupljanje i bubrenjeo gravitacijske sileo inercijalne sile

POVRŠINSKE SILE ndash djeluju na površini brane i prenose se preko njezine kontureo koncentrirane sile ndash razna hidromehanička opremao kontinuirane sile ndash hidrostatičko opterećenje uzgon

36

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

SHEMA SILA

H1 H2 ndash hidrostatičke sile uzvodno i nizvodno V3 ndash ako postoji s uzvodne strane ndash vertikalna komponenta pozitivno djeluje na

stabilnost V1 ndash težina betona i hidromehaničke opreme Unutarnji hidrostatski tlak uzrokovan tlakom vode u akumulaciji i nizvodne vode

zbog pora pukotina dilatacijskih spojnica

V4 ndash unutarnji tlak u tijelu brane V2 ndash unutarnji tlak u temeljima ovisi o poroznosti i ispucalosti podloge ndash negativna sila

koja smanjuje koeficijent sigurnosti

Temperaturni utjecaji uvjetovani

37

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

a) egzotermijom betona ndash relativno kratkog trajanja (maks nakon 3 -7 dana) Zbog hidratacije cementa dolazi do promjene temperature betona Na periferiji bloka dolazi do vlačnih naprezanja

b) vanjskim temperaturnim utjecajima ndash nisu toliko značajni kao kod lučnih brana Promjena temperature vode i zraka

H4 ndash valovi

H3 ndash nanos

H5 ndash led ndash kontinuirana horizontalna sila koja djeluje u visini krune brane H6 H7 V4 ndash potres Horizontalno i vertikalno ubrzanje zemljine kore H6 - povećani tlak uslijed inercijalnih sila (raspodjela po zakonu parabole) H7 ndash horizontalna komponenta inercijalne sile V4 ndash vertikalna komponenta inercijalne sile

38

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

UZGON

Djeluje u hidrostatskim i hidrodinamičkim uvjetima U uvjetima mirovanja vode = sila uzgona jednaka je težini vodnog tijela omeđenog

površinom na koju djeluje i pijezometarskom linijom

U hidrodinamičkim uvjetima pijezometarska linija opada Pretpostavke linearne promjene pijezometarske linije čime se dobiju umanjene

vrijednosti uzgona (daje manji moment prevrtanja oko nizvodnog ruba brane)

39

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

Bazni uzgon odgovara hidrostatskom tlaku donje vode i gotovo je uvijek prisutan

Diferencijalni uzgon odgovara pijezometarskoj razlici gornje i donje vode

Diferencijalni uzgon može se smanjiti na više načina

a) Dreniranjem vode iz pukotina i pora ndash smanjuje se količina procjedne vode (protok) i brzina procjeđivanja nizvodnoNa uzvodnom dijelu gradijent veći nego da drenaže nema čime se povećava učinak drenaže

b) Produžetkom puta (uzvodni zastor ndash vertikalni ili horizontalni)

- ne smiju biti pukotine

c) Injektiranjem (injekcijske zavjese) ndash povećava se vododrživost stjenovitih sredina

- povećava se otpor procjeđivanju na uzvodnoj strani uz smanjenje otpora dreniranju na nizvodnoj strani ndash najefikasniji način

40

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

- smanjuje se diferencijalni uzgon

d) Kod nekoherentnog tla ndash dijafragme- Uzgon u tijelu brane (porama i pukotinama) može se smanjiti

uzvodnim brtvljenjem ili vertikalnom drenažom (proračun isti)

KOMBINACIJE OPTEREĆENJA

1 Uobičajena kombinacija ndash hidrostatska sila pri normalnom usporu uzgon nanos težina

2 Ekstremne kombinacije ndash 1 + maksimalni uspor temperaturni utjecaji i potres3 Izuzetno nepovoljne kombinacije ndash 1 2 + ekstremni potres led4 Specijalna opterećenja ndash 123 + incidentni uspori

Za globalnu sigurnost moraju biti zadovoljeni sljedeći uvjeti

a) SIGURNOST PROTIV PREVRTANJA ndash oko najniže nizvodne točke

ηP=G g

H e+Uu

ηP=15minus13minus11

b) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u nevezanom (nekoherentnom) tlu

ηk=10minus11minus30

f=03minus07=tgφ

ηk=fsum V

sum H=koeficijent trenja x sumavertikalnihsila

sumahorizontalnih sila

41

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

c) SIGURNOST PROTIV KLIZANJA ndash u koherentnom materijalu ndash smicanju se osim trenja suprostavlja i kohezija

Sila kohezije Tc = cb (c = kohezija)

ηk = 13 ndash 40

fV +cbH

geηk

Postupak provjere sigurnosti na klizanje

1 Provjera bez kohezije (c) uz nizak koeficijent sigurnosti (1 ndash 13) Ako zadovoljava nema potrebe za daljnjim provjerama

2 Provjera uz utjecaj kohezije ali uz dosta veliki koeficijent sigurnosti (ηk = 40)3 Ako ne zadovoljava mora se povećati širina temeljne plohe (b) ili neka druga metoda

povećanja otpornosti na klizanje

Zakošenje temeljne plohe ndash čime se povećava sila trenja

Pomoću zuba na uzvodnom dijelu čime se dobije dodatna otpornost u horizontalnoj ravnini (ujedno i slaba točka)

Prednapregnutim sidrima

42

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

Dijafragmom s uzvodne strane i ograničavanjem visine (do 40 m)

d) SIGURNOST PROTIV ISPLIVAVANJA

ηi=11minus13minus15

Odnos težine i uzgona

ηi=GU

e) PROVJERA NORMALNIH NAPREZANJA ndash u tijelu brane (za svaki i-ti horizontalni presjek) i temeljnoj plohi Najveća naprezanja biti će u uzvodnom presjeku (G) a najmanja na nizvodnom (D)

Normalna naprezanja su pozitivna sve dok vrijedi

minusb6

lee leb6

Odnosno rezultanta prolazi kroz trećinu presjeka

43

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

63 OLAKŠANE BRANE

Longitudinalne šupljine koje se u većini slučajeva primjenjuju u cilju

kontrole filtracijskog tlaka (uzgona) kontrole procjeđivanja u temeljima smanjenja vlastite težine ndash zbog toga se mora povećati osnovica (stopa)

Problem ndash koncentracije vlačnih naprezanja oko otvora na uzvodnoj i nizvodnoj strani

64 BRANE S KONTRAFORAMA - RAŠČLANJENE BRANE

s uzvodnom masivnom glavom ili ravnom pločom s uzvodne strane stabilnost se zasniva na težini

44

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

Razvojo povećanje osnovice da bi se povećala stabilnosto dilatacijske spojnice da bi se smanjio negativni utjecaj temperaturnih

promjenao zaobljena glava da bi se smanjila koncentracija naprezanjao dobro podnose seizmičke sileo smanjen utjecaj uzgona

Od tri uvjeta stabilnosti (klizanje prevrtanje isplivavanje) najteže je ostvariti uvjet na klizanje

65 LUČNE BRANE

strogi kriteriji oblikovanja opterećenje se prenosi na bokove stabilnost ovisi o fizikalnim i mehaničkim karakteristikama materijala i nosivosti

temelja 40 ndash 60 ekonomičnije od gravitacijskih Naprezanja prema CILINDRIČNOJ (KOTLOVSKOJ) FORMULI ndash tretira horizontalne

presjeke kao krute nezavisne lukove složene jedan na drugi

σ= prd

Moguće odrediti debljinu lukaσ dop=6minus8MN m2

p ndash hidrostatski tlakd ndash debljina lukaR ndash radijus zakrivljenosti

TEMELJI LUČNIH BRANA

45

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

o Ako čvrstoća stijenske mase nije zadovoljavajuća ndash poboljšanja- konsolidacijskim injektiranjem- prednapregnutim sidrima u temeljnoj stopi

BITNI FAKTORI

o kut koji zatvara tangenta na os luka s izohipsama nizvodno od oslonca brane (α)

o kut koji zatvara rezultanta sila s izohipsom (β)o kut koji zatvara tangenta na os luka s rezultantim sila (γ)

o Nekada osnovni uvjet oblikovanja LH lt 35Većina lučnih brana ima oko 30

o Danas LH = 89 975 104Smijelije konstrukcije

o Vitkost konzole ndash odnos dH (debljine konzole i visine)

o Vitkost luka ndash odnos rd (radijusa zakrivljenosti i debljine luka)Debljina luka se smanjuje povećanjem zakrivljenosti odnosno smanjenjem radijusa i povećanjem odnosa Lr ali do α = 133deg nakon toga se više gubi na duljini nego što se dobiva na debljini

46

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

66 VIŠELUČNE BRANE

Razvoj je omogućio tehnički i tehnološki razvitak AB s osiguranjem bočne stabilnosti razuporama Osjetljivost na temperature

Kriteriji proračuna

o Vlastita težinao Sila hidrostatskog tlaka koja je nejednoliko

raspoređena zbog nagnutosti lukao Temperaturni utjecaji

67 RUŠENJE BRANA

Zašto rušenje

Spoznaje o mehanizmu rušenja brane i propagacije poplavnog vala pomažu definiranju rizika i šteta

Zakonska obveza kod velikih brana Problem hidrološki hidraulički i geomehanički Parametri brzina formiranja otvora utjecaj veličine otvora na hidrauličke parametre

vodnog vala

Hidrološka analiza

Mjerodavni protok 1000 godišnjeg povratnog razdoblja Kod velikih brana 10 000 godišnje povratno razdoblje

Hidraulička analiza u 2 koraka

1 Promjena protoka zbog formiranja otvora Q = f(t) kao posljedica proširenja otvora (erozije)

47

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

2 Propagacija vala duž vodotoka (uzvodni rubni uvjet je Q ndash t dijagram)

Prema tehničkom propisu o određivanju posljedica proloma brana (HKAIG 2008) definirano je POTPUNO I TRENUTAČNO rušenje brane ndash nikada se ne događa

Rušenje brane je proces uzrokovan

Prelijevanjem preko krune brane ili

Procjeđivanjem kroz tijelo brane

5 FAZA FORMIRANJA OTVORA

1 FAZA relativno mali otvor u kruni (t = t0) počinje proces erozijeErozija je jača uz nizvodnu nožicu nasipa nago pri vrhu nasipa što uzrokuje povećanje nagiba pokosa na nizvodnoj strani

2 FAZA erozija nizvodnog pokosa se nastavlja Druga faza se završava kada erozija na kruni počne zahvaćati uzvodni pokos

3 FAZA erozija uzvodnog pokosa i smanjenje kote krune4 FAZA širenje otvora s erozijom bočnih stijena (lateralna erozija)5 FAZA lateralna erozija + erozija temeljnog tla

48

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ndash rušenje brane kao posljedica ugradnje cijevi temeljnog ispusta

Protok kroz početni otvor

Na nizvodnom pokosu ndash krivulja depresije Jednoliko strujanje i uspostavljena je normalna dubina hn

Proces erozije u zoni jednolikog strujanja

49

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

Vrijeme erozije nizvodne potporne zone PUNO VEĆE od vremena potrebnog da se akumulacija isprazni kroz temeljni ispust a neće doći do idućih faza odnosno klasičnog rušenja

68 OPAŽANJA BRANA

Svrha osiguranje od iznenadnih pojava

3 grupe mjerenja

1 Opažanja i mjerenja parametara koji predstavljaju uzroke meteorološke prilike geološke i hidrogeološke geotehničke temp vezanja betona seizmika itd

2 Opažanja parametara koji predstavljaju posljedice pomaci deformacije naprezanja3 Kontinuirana kontrola fizikalno ndash mehaničkih i kemijskih osobina materijala

konstrukcije temeljnog tla

Geofizičke metode mehaničke geodetske hidrogeološke daljinska detekcija meteorološke itd

Klinometar (nagibomjer) ndash prijenosni uređaj za precizno mjerenje kutnih promjena nagiba u vertikalnoj ravnini

Deformetar ndash uređaj za mjerenje deformacija i relativnih pomaka između 2 odvojena metalna trajno ugrađena ležaja u vertikalnoj ili horizontalnoj ravnini

50

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

7 PRELJEVI

Podjela prema položajuo na objektuo na boku dolineo samostojeće građevine

Podjela prema načinu upravljanjao fiksni (nema zapornice)

o sa pokretnim uređajem (zapornicom)

51

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

Dijelovio kruna preljevao korito ndash brzotok (za transport vode od krune preljeva do slapišta)o slapište ndash bučnica (za umirenje vode)

Na izbor proračunskog protoka utječeo ugroženost nizvodnog područjao značaj braneo tip braneo tip preljevao pouzdanost hidroloških podatakao retencijske mogućnosti akumulacije

Najčešće se uzima 1000 ndash 10 000 godišnja velika voda za proračun ako se ukoliko su ugroženi životi ljudi koji žive nizvodno može uzeti i maksimalno moguća velika voda (SAD)

PRELJEVI NA OBJEKTU

52

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

a) Preljev sa slapištem (umirujućim bazenom)

b) Preljev sa nepotopljenim odskokom (ski ndash jump)

c) Preljev s potopljenim odskokom

d) Preljev sa odskokom na lučnoj brani (ski ndash jump)

Betonske brane najčešće imaju preljev preko krune dok se kod nasutih može dio brane izvesti u betonu kao preljev

53

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

54

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

55

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

Skica preljeva na boku doline s brzotokom i slapištem

Sifonski preljev

Preljevna polja ndash omeđuju se zidom a zid služi za usmjeravanje toka vode

56

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

Dubina vode na preljevu može se izračunati primjenom Bernoullijeve jednadžbe također treba procijeniti da li će doći do ozračivanjabubrenja mlaza (što nastaje zbog snažne turbulencije na površini vode tj kada turbulentni granični sloj izbije na površinu) te i to treba uzeti u obzir

Visina zida određena je nadvišenjem iznad maksimalne razine vode na brzotoku f = 05-07 m

Za osiguranje prometa preko krune brane preljev se često dijeli stupovima preko kojih se gradi most

Na brzotocima može doći do pojave kavitacijske erozije kao i do abrazije

Abrazija je erozija koja nastaje habanjem konture objekta (ili opreme) nanosom

57

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

SLAPIŠTE

Služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije Sva energija koja se akumulira duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane

Disipacija energije kod evakuacijskih organa

Mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1) Ako se preljevni mlaz odbaci u zrak gdje se djelomično rasprši i odzrači dio energije

se utroši na stiskanje mjehurića uvućenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)

Najveći dio akumuliranje energije troši se u vrtlozima (turbulenciji) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga gabioni )

SLAPIŠTE ndash umirujući bazen

Koristi se za padove do 50 m U njemu se javlja vrtložni valjak hidrauličkog skoka Kod slapišta (umirujućeg bazena) treba odrediti

Širinu slapišta (B) Duljinu slapišta (LS) Kotu dna Visinu bočnih zidova (d) Dimenzije i raspored dodatnih

elemenata za umirenje (disipaciju) energije

58

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

59

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

Primjer proširenog slapišta na izlazu temeljnog ispusta

60

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

61

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

PRELJEVI KOD NISKIH BRANA (PRAGOVA)

Kod visokih pregrada donja voda nema utjecaja Kod pragova utjecaj je uzrokovan

o povećanjem tlaka u mlazu zbog njegovog nalijeganja na dno nizvodnog koritao potapanjem mlaza donjom vodom

Kod nepotopljenog strujanja energetska visina donje vode Hed nije veća od 23Heg odnosno za nepotopljeno strujanje vrijedi HedHeglt23

PROVJERA KRIVULJE PROTOKA

bull Problem za odabrane protoke(Q) i visine donje vode traži se razina gornje vode (ispred preljeva)

1 određivanje brzine i dubine u suženom presjekubull ΔEsd=gubitak energijebull Jedkontinuitetabull Q=vhBbull Desna strana je poznata i može se označiti kao Cd- konstanta donje vode

Rješava se iteracijskibull Ako nema realnog rješenja znači da nema utjecaja donje vode odnosno prelijevanje je NEPOTOPLJENO a visina ispred preljeva izračunava se pomoću standardne jednadžbe nepotopljenog prelijevanja

Ako postoji realno rješenje primjenjuje se Bernoullijeva jednadžba za presjeke ldquosrdquo i ldquoordquo (ispred preljeva) pri čemu su gubici gotovo zanemarivi- nepoznanica je visina preljevnog mlaza u presjeku ldquosrdquo

ZAKLJUČAKProtok se povećava porastom razine gornje vodeKod malih protoka donja voda ne utječe na prelijevanjePovećanjem protoka razine gornje i donje vode se približavaju i pojavljuje se potopljeno prelijevanje

62

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

PRELJEVI SA ZAPORNICAMA

1 preljevni mlaz za računski protok (bez zapornice)2 mlaz bez utjecaja konture preljeva ndash brzina veća nego kod 13 mlaz ostaje oslonjen na konturu preljeva

Os zapornice (ustave) pomaknuta je u odnosu na os krune preljeva za 02 Hr (računske visine prijelaznog mlaza) kako bi mlaz što bolje pratio konturu preljeva što smanjuje potlak i mogućnost odvajanja mlaza od preljeva

Izvođenje preljeva s više polja

Učinak

smanjuje se širina preljeva mogućnost izgradnje prometnice iznad preljeva javljaju se dodatni otpori zbog koncentracije mlaza pri stupovima

63

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

BRZOTOK

spaja preljev sa slapištem nagib obično 1 07 do 1 1 spoj s izlaznim dijelom najčešće se izvodi s kružnom prijelaznicom radijusa R = 3 ndash 8 hb

(gdje je hb razina donje vode)

Pojave na brzotoku

1 Siloviti tok i pojava valova koji se rasprostiru nizvodno u umirujući bazen Problem se rješava hidrauličkim oblikovanjem prijelaza u brzotoku

64

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

2 Ozračivanje (aeracija) mlaza ndash zbog jake turbulencije zrak se uvlači u tok vode i mlaz bubri

PRORAČUN NEAERIRANIH DUBINA

Bernoullijeva jednadžba za presjeke 1 ndash 2

Raspored tlaka nije hidrostatski Zašto

AERACIJA MLAZA

Nastaje dvofazno strujanje ndash vode i zraka Pitanja

65

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

Kada dolazi do aeracije Gdje počinje Koliko će se preljevni mlaz povećati

Do aeracije dolazi kada granični sloj dostigne dubinu vode na brzotoku (h = δ) Kapljice vode uvlače zrak a turbulencija ih potiskuje prema dnu Veći pad izaziva veće uvlačenje zraka

Presjek u kojem granični sloj izbija na površinu L = udaljenost od krune preljeva Povećanjem specifičnog protoka raste i udaljenost početka aeracije

KAVITACIJA ndash je proces koji nastaje na brzotoku pri velikim brzinama ndash kada tok dođe u područje tlaka koji su jednaki ili manji od tlaka zasićene vodene pare

Na pojavu kavitacije utječe

Geometrijska kontura (lokalna promjena brzine) Viskoznost (nečistoća vode) Hrapavost podloge Brzine veće od 25 ndash 30 ms

MJERE

1 Povećanje tlaka pri smanjenju brzina u presjeku ndash tzv prigušenje presjeka2 Primjena glatkih materijala (premazi) na mjestima gdje se očekuje erozija3 Aeracija ndash ozračivanje toka uzvodno od mjesta erozije jer zrak smanjuje brzinu

66

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

ABRAZIJA ndash je erozija koja nastaje habanjem (trošenjem) konture brzotoka NANOSOM

(vučenim nanosom) Izrazita je kod nižih pregrada gdje su brzine ispred preljeva veće (brzine veće od 10 ms)

SLAPIŠTE ndash umirujući bazeni

Izlazni dio brzotoka Zadatak potrošnja energije odbacivanje energije što dalje od temelja Dio energije i dalje ostaje i pronosi se nizvodno

Kod brana temeljenih na stjenovitoj podlozi ndash nepotopljeni odskok (ski ndash skok) Mlaz se odbacuje što dalje od brane ndash ozračen udara u površinu vodotoka i jedan dio

energije troši se na zbijanje mjehurića zraka dio energije i dalje ostaje Tijekom vremena erozija stvara erozijsku jamu u kojoj se umiruje veliki dio energije Ski ndash skok = dobro rješenje kod velikih brzina = velikih padova (H gt 50 m)

SLAPIŠTE = horizontalni prizmatični pravokutni kanal (bazen) sa ili bez dodatnih razbijača energije

Hidraulička shema

Velika dolazna brzina v1 i količina gibanja ρQv1 i mala dubina h1

U bazenu je brzina mala v2 veća dubina h2 i mala količina gibanja ρQv2

Prijelaz iz mirnog u siloviti režim

67

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

Uvjeti koje slapište mora zadovoljiti

- Hidraulički skok unutar bazena pri računskom protoku i svim manjim protocima ndash zaštoIzvod ndash hidromehanika

Relativni gubitak energije = efikasnost hidrauličkog skoka- Za pravokutni poprečni presjek

∆ EE1

=f (Fr1 )

Efikasnost skoka u ovisnosti o Froudeovom broju ulaznog mlaza

Disipacija energije povećava se porastom Froudeovog broja ndash skok je efikasniji što je ulazni mlaz silovitiji Gubitak energije izražen preko spregnutih dubina

Kritične vrijednosti Freoudeovog broja 6 lt Fr lt 20

Izrazito nestabilan tok pri kojem se poremećaji pronose daleko iza skoka ndash izvan bazena što može izazvati eroziju nizvodnog korita

ŠIRINA SLAPIŠTA (B)

- Širi bazeni su povoljniji

68

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

- Kod preljevnih brana obično preljev brzotok i slapište imaju istu širinu (izostanak dugih prijelaza)Preliminarna vrijednost B=18 ∙radicQ

DUŽINA SLAPIŠTA (LB) = dužina vodnog skoka (Ls)

- Moguća je i kraća dužina ako se koriste razbijači energije (zupci blokovi pragovi)- Skraćenje moguće za (25 ndash 40) za 2 psregnute dubine (h2)

LB=Ls=5h2minus6h2

- Kota dna slapišta Zb takva da osigurava dubinu za stvaranje vodnog skoka- Ako je dubina vode u bazenu manja od spregnute dubine skok se odbacuje nizvodno

u korito (slapište ne ispunjava funkciju)- Optimalna dubina u slapištu = 2 spregnute dubine uz koeficijent potpljenosti σ = 12 ndash

125

- Razbijači smanjuju spregnutu dubinu do 20- Uzvodni stupci stvaraju dodatni otpor strujanju (a)- S nizvodnim pragom (b)utječe na sedimentaciju nanosa uz sami prag s nizvodne

strane (nema abrazije i nema potkopavanja)

69

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

- Središnji blokovi (c) zadržavaju skok u bazenu i utječu na znatnije skraćenje bazena nego kod (a) i (b)

- Utjecaj blokova izračunava se pomoću jednadžbe održanja količine gibanja uz uvođenje sile otpora oblika Fs (konturna sila)

F s=C s ∙ A s ∙ ρ ∙vs

2

2

As ndash površina projekcije blokova okomito na smjer strujanjaCs ndash koeficijent sile

DINAMIČKA OPTEREĆENJA U UMIRUJUĆEM BAZENU

Dinamički uzgon Kavitacija Vibracije

DINAMIČKI UZGON

70

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

Vodni skok izbacuje dio vode iz bazena i sila uzgona može biti veća od sile težine i dolazi do podizanja ploče

Npr ako je razlika spregnutih dubina =15m a ρbetona=2500 kgm3 ploča bi trebala biti d=5m da ne bi došlo do isplivavanja

Rješenje

Sidrenje ploče u stjenovitu podlogu Šipovi kod glinovite podloge Dreniranje površine ispod ploče

Sidra se dimenzioniraju na 2 uvjeta opterećenja

1 Uzgon od mjerodavne donje vode2 Uzgon od mjerodavne donje vode + fluktuacijski dodatak koji djeluje po cijeloj

površini temeljne ploče

NIZVODNA ZAŠTITA KORITA

Umirujući bazen koji bi u potpunosti apsorbirao energiju bio bi predugačak Nizvodna zaštita korita (kamenom oblogom ili rip ndash rap) spriječava eroziju neposredno iza slapišta

Parametri

Veličina zrna granulometrija kamene zaštite debljina i dužina zaštite

SILEDinamičkog uzgonaSila vučenjaSila trenja između fluida i kamena

71

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

Rip ndash rap zaštita i gabioni

SLOBODNI ODSKOK ndash SKI SKOK

- sve se češće primjenjuje- kod velikih brana osobito zbog vrlo velikih brzina- kao dio građevine odskok je naobljeni nastavak brzotoka koji omogućava odbacivanje

mlaza- u početku primjena samo kod zdravih stijena ali se utvrdilo da je erozija pitanje

vremena a ne kvalitete stijenske mase

72

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

TEMELJNI ISPUST Mora biti postavljen ispod minimalne radne razine

Služi za pražnjenje akumulacije radi pregleda i popravakakao evakuacijski organ za vrijeme velikih vodaza pražnjenje nanosa koji se istaložio

1048710Postavlja seKroz tijelo brane (kod betonskih)Oko brane -kroz teren (kod nasutih i ponekad kod betonskih)Ispod brane (koristi se rijetko)

Temeljni ispust se sastoji od Ulazne građevine Provodnika Kontrolnog dijela ndash za regulaciju ndash zatvaračnica sa zatvaračem Izlaznog dijela Slapišta

Osim temeljnog ispusta postoje i dovodi za HE vodoopskrbu i druge namjene

Temeljni ispust kroz tijelo brane Radi se kod betonskih gravitacijskih kontrafornih olakšanih i lučnih brana Ulaz je na uzvodnom licu brane Havarijski i remontni zatvaračradi se na uzvodnom licu Regulacijski zatvaračizvodi se na nizvodnom kraju ili u zatvaračniciu tijelu brane Može se koristiti slapištepreljeva pod uvjetom da se ne koriste istovremeno

Temeljni ispust okoispod brane-kroz teren Radi se kod nasutih i ponekad kod betonskih Radi se kao tunel sa zatvaračnicomna ulazu blizu sredine ili na kraju Ulazni dio je često pravokutnog oblika zbog lakšeg izvođenja zaobljenja na ulazu

(manji gubitak) nakon zatvarača prelazi se na kružni oblik tunela (provodnik)

73

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

1048710Na ulaz se postavljaju rešetke da se spriječi ulazak krupnih predmeta (svijetli razmak šipki5-20 cm brzine 1-15 ms) ponekad se rešetka na postavlja ako se želi osigurati odstranjivanje plivajućih predmeta

Q=mi F radicoline(2 g∆H)∙ ∙ ∙ Q ndash protokμ ndash koef gubitakaF ndash površina poprečnog presjeka tunela

o Ako se za vrijeme gradnje evakuacija vode provodi obilaznim tunelom tada se on nakon završetka brane tunel može adaptirati u temeljni ispust odvod bunarskog preljeva dovod na HEhellip

o Ako se obilazni tunel koristi kao temeljni ispust često je prevelikih dimenzija u odnosu na potrebne dimenzije temeljnog ispusta pa seadaptacija provodi u obliku suženja na mjestima zavarača

o Dimenzioniranje slapištase provodi kao kod preljeva

Kod vrlo visokih brana može se izvoditi i srednji ispustUlazne građevine- temispusti i građevine za zahvaćanje vode moraju zadovoljiti

sigurnu regulaciju protoka i zahvaćanje vode zaštitu od vučenog nanosa Zaštitu od plivajućih predmeta (rešetkom) Minimalne poremećaje strujanja (gubitke) uvlačenje zraka Niske troškove Brzo zatvaranje u slučaju havarijeZATVARAČI NA TEM ISPUSTU Pločasti i segmentni zatvarači kružnog pop presjeka ( najbolji zbog izostanka prijelazne dionice) Regulacijski Remontni i havarijski ndashuvijek otvoreni ili zatvoreniREGULACIJSKI Za ispuštanje biološkog minimuma korištenje vode Moraju omogućiti bilo koji protok Na NIZVODNOM KRAJUdovoda odnosno na mjestu gdje strujanje pod tlakom prestaje i počinje strujanje sa slobodnom vodnom površinom

OSNOVNI PROBLEMI

Velika sile hidrostatskogtlaka Vododrživost Velike brzine istjecanja ndashopasnost od kavitacioneerozije Vibracije Slaba pristupačnost Mora bit veza s atmosferskim tlakom ( cijev za aeraciju)

Pristup dubinskim zatvaračima ndashpreko galerija ili okna Pokretanje u galeriji iznad samog zatvarača (dubinske) ili s površine Izuzetna pogodnost sa pojavu kavitacije( brzina raste-tlak opada)

74

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

Dovod pod tlakom Poluotvoreni zatvaračndashidealno za kavitaciju Položaj zatvarača kod temeljnog ispusta-s UZVODNE STRANE( u ravnini injekcijske zavjese) Iza zatvarača-strujanje sa slobodnom vodnom površinom Ispred zatvarača-tlačno strujanjePLOČASTI ZATVARAČI

Osobito osjetljivi na kavitacijskueroziju Na nizvodnoj strani vNje veća od srednje brzine na uzvodnoj strani vcpa je i tlak na nizvodnoj strani manji nego na uzvodnoj strani

Ako je pNρglt pvρg nastali su uvjeti za pojavu kavitacije pv=tlak zasićene vodene pare

Prednosti pločastih zatvarača Havarijski remontni regulacijski Manji otvori jednostavne konstrukcije Nema velikih naprezanja

Vododrživostu utorima osigurava se gumenim brtvama Koriste se za otvore površine do 250 m2 Prosječna visina zapornice4ndash5 m Mana potrebna još2x tolika visina za smještaj podignute zapornice te za smještaj

uređaja za podizanje Rjeđe se koriste na preljevima češće na temeljnim ispustima Na donjem bridu zapornicetreba osigurati stabilan položaj mlaza

SEGMENTNI ZATVARAČI Regulacijski Manja snaga za podizanje Bolji uvjeti istjecanja i manja mogućnost kavitacije Bolja vododrživost najčešće se koriste kao zapornicena preljevima većih objekata

75

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

Zatvaraju površine do 560 m2 Raspon L=15-40 m Visina H=12-18 m Izvedeno max L= 56 m i H= 225 m

Maneo Velika koncentracija naprezanja u okolini oslonca

obično zahtijeva prednaprezanjei složenu skupu konstrukciju stupova

o Konstrukcija same zapornicei ležišta je složenao Kraci zapornice zahtijevaju znatno duže stupove

nego kod pločastih zapornica

Za finu regulaciju na segmentnoj zapornicimože se izvesti zaklopkakoja omogućuje prepuštanje plutajućih elemenata leda granja i sl

VALJKASTI ZATVARAČIo Sastoje se od šupljeg cilindra koji se pomoću zupčanika kotrlja (podiže i spušta) po

kosoj ravnini

o Visine do 10 m i dužine do 50 m

o Na vrhu može biti joši zaklopka

Prednostio Velika krutost i mogućnost zatvaranja velikih širina otvorao Dobra evakuacija leda plivajućih objekata i nanosa

Maneo Cijena (zbog složenosti)

EVAKUACIJA VODE ZA VRIJEME GRAĐENJAo Način evakuacije vode ovisi o o Topografiji terenao Geološkim uvjetimao Tipu i veličini brane i pojedinih dijelovao Hidroloških karakteristika sliva

2 načina1 SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNEL2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKE ZAGATIMA

76

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

1SKRETANJE RIJEKE KROZ OPTOČNI TUNELo Kod uskih dolina strmih padinao Tuneli do 500m dužine

o Uzvodna predbrana usmjerava tok prema optočnom tuneluo Nizvodna predbrana ( po potrebi) štiti građjamu od uspora donje vodeo Po završetku gradnje optočni tunel preuzima ulogu temeljnog ispusta dovodnog kanala za korisnike ili odvodni tunel bunarskog preljeva

o KOD NASUTIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 20-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA ( to je ujedno i računski protok optočnog tunela)o KOD BETONSKIH BRANA temeljne jame štite se od protoka 10-godišnjeg POVRATNOG RAZDOBLJA

1 izgradnja tunela2 U razdoblju malih voda rijeka se pregrađuje krupnim kamenom- pomoćni zagat

3 gradnja uzvodne predbrane ( završetak do dolaska velikih voda)

VISINA UZVODNE PREDBRANE I PROMJER TUNELA SU U ZAVISNOM ODNOSUbull Promjer tunela određuje površinu protočnog presjekabull Visina predbrane određuje pad odnosno brzinu strujanja u tunelubull Optimalno rješenjerArrmintroškovi

o Predviđeno strujanje u tunelu= tlačnoo Kod tunel s blagim padom ( Iolt Ikr) ndash cijelom dužinom tlačno strujanje ako su dubina

ispred tunela i promjer u odnosu Hdgt15o Za Hdlt12 strujanje je sa slobodnom vodnom površinom ako izlazni dio nije

potopljen

o gubici na ulazu zatvaraču koljenu o na trenju (izračunavanje preko Manningovog koefhrapavosti ( kod velikih Re

viskoznost nema nikakvog utjecaja na otpor)NIZVODNA PREDBRANA

o Kota nizvodne predbrane mora biti iznad kote donje vode na izlazu iz tunelao Nizvodna predbrana može se izostaviti ako je razina donje vode dovoljno niska da ne

ugrožava temeljnu jamuo Predbrana može biti u sklopu tijela nasute brane ili zasebna građevina

o Denivelacija tunela kod većih padovao veća učinkovitost s ako se niveleta izlomi nego ako ima kontinuirani pado Kod strujanja sa slobodnom vpovršinom-na strmoj dionici ubrzavanje toka na

nizvodnoj se usvaja pad dna =pad energetske linije čime se ostvaruje normalna dubina ( jednoliko ustaljeno strujanje)

o Kod strujanja pod tlakom povoljniji uvjeti na ulazu manja mogućnost odvajanja mlaza i stvaranja zračnih džepova koji smanjuju profil

2 PARCIJALNO PREGRAĐIVANJE RIJEKEo Kod izgradnje brana na širokim dolinama velikih rijeka

77

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

o U malovodnim razdobljima1 FAZA -zagatom se pregradi dio korita

o Tem jama se drenira crpljenjem o Gradnja samo do visine koja osigurava sigurnost

2 FAZA- uklanjanje zagata 1faze i gradnja uzvodnog zagatao Kritično ndash pred samo zatvaranje profila ( porast razine vode uzvodno brzine i vučne

sile velike (tetrapodi kameni blokovi)o Kada se pregrada zatvori i razine vode dostigne razinu preljeva (propusta) u tijelu 1

faze i rijeka je skrenuta

o Radi se nizvodni dio zagata 2fazeo Osigurava se nepropusnost nasipa od blokova i tetrapodao Počinje crpljenje vode i gradnja drugog dijela brane

o Po završetku drugog dijela brane1uklanjanje zagata i voda se propušta kroz drugi dio brane2 Saniranje i dovršetak prvog dijela brane

ZAGATI pregradni zidovi sastavljeni od međusobno povezanih ćelija Omotač ćelije od čeličnih talpiUnutar omotača se zasipava pijesak šljunak drobljeni kamen)Visina zagata određuje se preko razine vode u koritu pri računskom protoku +10-15m

o Temeljna jama se štiti od 10 ili 20-godišnje velike vodeo Potrebno znati krivulju protoka vodotoka i privremenih otvora (propusta)

VODNA KOMORAo Građevine na tlačnim dijelovima dovodnog sustava hidroelektrana za ublažavanje

vodnog udarao Vodni udar =pojava u tlačnim sustavim koja se javlja pri nagloj promjeni zatvorenosti

zatvaračao Dinamička energija pretvara se u elastičnu deformaciju tlačne cijevi i niz pozitivnih i

negativnih valova putuje od početka do kraja cijevi nazad dok se ne priguši uslijed trenja

o Tlačni dovodi vrlo dugački i vodna masa se ne može brzo pokrenuti pokretanjem turbine

o Osnovni zadatak vkomore jeo da pri ulasku turbine u pogon osigura dio vode prije nego što ona poteče u dovoljnoj

količini o da prihvati dio vode koja se kreće dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina

78

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

o Jednoliki režim ndash vodna komora =pijezometaro Razina vode u komori= pijezometarska linijao Promjena režima rada turbine-promjena u tlačnom cjevovodu-vudar

o Vkomora sprječava širenje vodnog udara u dovodni tunelo Ulaskom turbine u pogon (QT) dolazi do pražnjenja komore i sniženja razine vode-

voda u tunelu Q se ubrzava i postaje veći od QT i razina u komori počinje rasti što smanjuje tlak na kraju tunela a time i protok

o Dolazi do oscilacija masa u sustavu akumulacija-dovodni tunel-vodna komorao Zbog viskoznosti oscilacije se tijekom vremena smanjujuo Pri zaustavljanja rada turbine slična pojava

Jednadžba oscilacija razine u cilindričnoj vkomoriPrimjena Bernoullijeve jednadžbe u nestacionarnom obliku

Jednadžba kontinuiteta o razlika između protoka u dovodnom tunelu i tlačnom cjevovodu odlazi (ili izlazi) u vkomoru Q-QT=+- Ak x dhdt

Jednadžbe varijacije razina u cilindričnoj vkomori u slučaju trenutnog zatvaranja dovoda do turbina

PRETPOSTAVKE o Gubici u nestacionarnom režimu isti kao i u stacionarnom u dovodnom tuneluo Dominantan utjecaj trenja zbog dužineo Inercija vode u komori se zanemaruje

oo Rješenje jednadžbe pokazuje da su oscilacije sinusoidalnog oblikao Pri čemu je zmaxo Max oscilacija pojavljuje se nakon t=T4

zMAX=vO radicoline(L A∙ ∙ Dg A∙ K)

HIDROTEHNIČKE GRAĐEVINE ZA TRANSPORT VODEo OTERETNI KANALIo KANALI ZA NAVODNJAVANJEo KANALI ZA ODVODNJUo PLOVNI KANALI I PREVODNICE

79

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

o DERIVACIJSKI KANALI HIDROELEKTRANAo KANALI ZA TRANZIT RIBA ( ldquoriblje stazerdquo)

OSNOVNA NAČELAo Zadovoljavajući protočni profilo Očuvanje hidrauličkih karakteristika-voda ne smije uzrokovati taloženje nanosa ili

erodiranje dna i kosina o Odnos pada i poprečnog profila ndash ekonomičnost građenjao Optimalni poprečni presjek (koji)

DERIVACIJSKI KANALIo Služe za dovod vode do hidroelektrana= umjetni kanali pravilnog poprečnog presjeka o Strujanje je gravitacijsko i sa slobodnom vodnom površinomo Najjeftiniji način dovođenja vode i izvodi se gdje je god to moguće i to najkraćom

trasomTRASA I POPREČNI PROFIL

o Izbjegavati nestabilne terene duboke usjeke i visoke nasipeo Što manje građevina - sifona ili akvadukatao Trapezni poprečni profil ndash nagib pokosa ovisi o geomehaničkim karakteristikama

terenao Načelo izjednačavanja masa

NEOBLOŽENI KANALIo m=3 ( 31) ndash u sitnozrnim tlimao m=1 (11) u vezanim tlimao m=010 (110) u stjenovitim tlima ( čak i vertikalne stranice)o Nagib pokosa mora biti manji od prirodnog kuta nagiba zemljišta (ϕ)o Gubici vode- u aluvijalnim tlima i ispucalim stjenovitim terenima

o Sprječavanje gubitaka vodeo Kolmacijom ndash dodavanje rastvora glineo Oblogomo Veličina gubitaka (Čugaev 1982)o q=TKI=TK=(B+2h)Ko K= koef hidr Provodljivostio I=hidraulički gradijent (asymp1)o T= filtracijska širinao Pretpostavkaniska razina podzvode

EROZIJAo Kanal koji nije podložan eroziji ili zasipanju = stabilan kanal

80

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

o TEORIJA REŽIMA (Smith 1995)

Metoda VUČNE SILE- zasniva se na određivanju 1dozvoljenog (kritičnog) smicanja na dnu i pokosima odnosno masimalnom tang

naprezanju pri kojem nema pokretanja čestica tla τSTVlt= τkrit

2 stvarnog tang naprezanjao Utjecaj količine nanosa u vodio Kritična tangencijalna (τkrit ) naprezanja ovise o materijalu u kojem je kanal iskopano Tang naprezanja nisu const po omočenom obodu i promjena nije linearnao Maksimum iznad nožice pokosao Minimum uz razinu vode u kanalu

Utjecaj nagiba pokosabull Na česticu djelujubull komponente sila u smjeru strujanja

o Odnos naprezanja pokretne sile na pokosu i naprezanja pokretne sile na dnu (n) pokazuje odnos sila pri kojima će se pokrenuti čestice na dnu i na pokosu

bull Npr n=05 ndash dozvoljena pokretna sila na dnu je 2x veća od one na pokosu

bull α=nagib pokosa ϕ=kut prirodnog materijala ( tgϕ=kut trenja)n=SBSS

BRZINEo Postojanost korita na velike brzineo Velike brzine nisu poželjne zbog erozije (veličine gubitaka )o Male brzine ndash zamuljivanje kanala (taloženje rast vegetacije degradacija kvalitete

vode)

Metoda najvećih dozvoljenih brzinao Iskustvena teorija (1986)o U krivinama ih treba umanjiti za 25

OBLOŽENI KANALIo Znatno veći nagib pokosa moguće i pravokutan poppresjeko Ovisi o vrsti oblogeo Oblaganje se vrši da bi se smanjili gubici

OBLOGEo FUNKCIJA OBLOGEo Smanjenje omočenog presjekao Povećanje brzineo Sprječavanje gubitaka ( vodonepropusnost)o Povećanje stabilnosti dna i kosinao Povećanje mehaničke otpornosti

81

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

o Obloga mora biti stabilnao Otporna na dinamičku seizmičku pobuduo Otporna na djelovanje leda

MATERIJALIo Gabioni mješavina pijeska i cementa sintetičke mase asfaltbeton tarac od

lomljenog kamena kameni nabačaj

o Optimalni poppresjeko TΔE=gubitak energije smanjuje se povećanjem profilao Tg=troškovi izgradnje i održavanja povećavaju se povećanjem profilao Obloga-povećava brzine i povećava troškove

o Problemo Kod dugačkih kanala mijenja se poprečni presjek i pad ndash određivanje

najekonomičnijeg presjeka treba provesti za svaku dionicuo Stacionarno i nestacionarno strujanje- promjene u protoku izazvane radom

hidroelektrane- reguliranje protoka ustavama na ulaznoj građevini kanalaPADOVI I KRIVINE

o Uzdužni pad derivacijskih kanala kreće se od i=00001 do 00005o Kontra padovi nisu dozvoljenio Oštre krivine izazivaju dodatne gubitke i zbog toga o Rmingt10bo Ako je betonska obloga može i manji

Pojava vodnih valovao Kod nagle promjene protokao Direktan pozitivni val naglo povećanje protoka-naglo smanjenje protoka na kraju

kanalao Direktan negativni val zatvaranje ustave i smanjenje protoka-otvaranje ustave na

kraju kanala

o Pojava valova utječe na promjenu hrapavostio Mikrohrapavost ndash usvaja se hidrauličkim proračunom( Manningov koef hrapavosti

n=00225 do 0035 u neobloženim kanalima)o Makrohrapavost- javlja se u eksploataciji (brazde ili dine)

ZATVORENI KANALIo Izvode se gdje to diktiraju klimatski topografski i geološki uvjetio Na kritičnim dionicamao UVJET slobodna vodna površina

HIDROTEHNIČKI TUNELIo Minimalni profil Dmin=20 m ( neisplativo za manje presjeke)o Mogu bit pod tlakom i sa slobodnom vodnom površinom -

TLAČNI CJEVOVODIo Strujanje pod tlakom-potpuno ispunjen cjevovodo Za dovod vode do turbineo Čelični visokotlačni cjevovodi ndash mogu izdržati veliki unutarnji tlak i nagle promjene

tlaka

82

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

Nadzemni cjevovodio Obješeni u obliku lučnih konstrukcija čelični akvadukti oslonjeni na mosne

konstrukcijeo Kritične točke=oslonci

o Osjetljivost na temperaturne promjene- dilatacijeo Statički proračun- prijenos sile na sedla

PODZEMNI CJEVOVODIo Zaštićeni od atmosferskih utjecaja ndashnema dilatacija i potpornih sidarao Uvjeti održavanja jednostavniji i jeftinijio Stijenski masiv preuzima dio hidrostatički i hidrodinamičkih opterećanjao Mogu biti ukopani ili ubetonirani u stijeni o Podzemni ubetonirani cjevovodi imaju najširu primjenu jer su neovisni o profilu i

nagibu površine terena

o Problemi- utjecaj podzemnih voda- uzeti u obzir vanjske hidrostattlakove ili predvidjeti drenažu

o Veza sa stijenom- vezno ( kontaktno ) injektiranje o Ponekad i konsolidacijsko injektiranje za poboljšanje deformacijskih karakteristika

stijene

o Najveća opasnost tlačnim cjevovodima=vakuum što se sprječava aeracijskim cijevima i zračnim ventilima

o Razlika između unutarnjeg i vanjskog tlaka ne bi smjela biti veća od 002 MPaOPTIMALNI PROMJERTROŠKOVI

o Građenja (Tgod)o Izgubljene energije (ΔEgod xC2)o Naknade izgubljene snage iz drugih izvora (ΔN x C1)- često se zanemarujeo C2=cijena 1kWho C1=anuitet po 1kWh

o T=Tgod+ΔEgod xC2+ΔN x C1rarrmin

o Uvjet minimuma troškova

83

84

84