1

4. HIDRAULIČKI PRORAČUNI VODOTOKA

4. HIDRAULIČKI PRORAČUNI VODOTOKA

2

Vrste hidrauličkih proračuna vodotoka

proračuni tečenjaproračuni stabilnosti koritaproračuni pronosa nanosaproračuni promjene oblika korita

2

3

4.1 PRORAČUNI TEČENJA4.1 PRORAČUNI TEČENJA

tečenje u kanalimatečenje u koritu za srednju vodutečenje u koritu za veliku vodu (složena hrapavost po poprečnom profilu)

4

Tečenje u prirodnim vodotocima je:

neustaljeno (nestacionarno) nejednoliko (ubrzano; usporeno) nekonzervativnoturbulentnosa stalnim promjenama režima tečenja (mirno u silovito i obratno)trodimenzionalnou neprizmatičnim koritimageometrija korita je vremenski promijenjivahrapavost korita je prostorno i vremenski promijenjivadvofazno (voda + nanos)

3

5

Pojednostavljeni slučajevi proračuna tečenja

Tečenje u kanalimaTečenje u glavnom koritu prirodnog vodotokaTečenje u koritu za veliku vodu

6

4.1.1 Tečenje u kanalima4.1.1 Tečenje u kanalima

ustaljeno (stacionarno) jednolikokonzervativnoturbulentnojednodimenzionalnou prizmatičnim koritimahrapavost korita je konstantnajednofazno (voda)

Pretpostavke:

4

7

Problem se svodi na određivanje konsumpcijskih odnosa za:

odabran poprečni profil korita (b, 1:m)odabran uzdužni pad dna kanala (I)odabranu hrapavost (n / c / k)

Ie

I

Ik

Ie = I = Ik

h

Q

Strickler2/13/2 IRkv =

Manning

2/13/2 IRn1v =

)hmb(hF +=

Chezy

IRcv =

2m1h2bO ++=

OFR =

FvQ =

b

1:m 1:m h

5

9

4.1.2 Tečenje u glavnom koritu4.1.2 Tečenje u glavnom koritu

ustaljeno (stacionarno) nejednolikokonzervativnoturbulentnojednodimenzionalnou neprizmatičnim koritimahrapavost korita je konstantnajednofazno (voda)

Pretpostavke:

10

Problem se svodi na

poznatu geometriju korita (poprečni profili i njihov međusoban razmak)poznate konsumpcijske odnose na vodomjernim stanicama

određivanje oblika vodnih lica, pri različitim protocima, na dionici vodotoka između dva vodomjerna profila za:

6

g

2i

i

21i

1i Hg2

vhg2

vh Δ+α+=α+ ++

lokg

lingg HHH Δ+Δ=Δ

s

2/1line

3/2s F

Qv;)I(Rn1v ==

3/4s

2s

2line

ling RF

QnLLIH Δ=Δ=Δ

s

ss

1iis

1iis O

FR;2OOO;

2FFF =

+=

+= ++

g2v

g2vH

21i

2ilok

g+α−αξ=Δ

g

21i

2i

i1i Hg2vvhh Δ+

−α+= +

+

0,80,6NAGLI PRIJELAZ

0,50,3KARAKTERISTIČAN MOSTOVSKI PROFIL

0,30,1POSTUPAN PRIJELAZ

PROŠIRENJEvi < vi+1

SUŽENJEvi > vi+1

KOEFICIJENT LOKALNOG GUBITKA ENERGIJE xTIP GEOMETRIJSKE

PROMJENE

+/-0,0hi

DHg

hi+1

DL

ii+1

g2v2

iα

g2v2

1i+α

Q

VS1 KARAKTERISTIČAN PROTOK QK – hVS1

PRETPOSTAVKA np

PRETPOSTAVKA hp,i+1

?hi+1 = hp,i+1

POMAK NA SLIJEDEĆI PROFIL; i=i+1

Zadnji profil?i=N (VS2)

Da li je hi = hVS2 ?hVS2=f(Qk)

SLIJEDEĆI KARAKTERISTIČAN PROTOK QK1

g

21i

2i

i1i Hg2vvhh Δ+

−α+= +

+

DA

DANE

NE

NE

DA

h

Q

h

Q

ii-1

i+1

VS2

VS1

Qk

Qk

i=1

i=N

hVS2

hVS1

7

8

15

4.2 PRORAČUNI STABILNOSTI KORITA4.2 PRORAČUNI STABILNOSTI KORITA

Globalna stabilnost koritaLokalna stabilnost korita

16

4.2.1 Pristupi proračunu globalnestabilnosti korita

Dopuštena posmična napreznja (“vučna sila vode”)Granična brzina toka

9

17

4.2.1.1 Dopuštena posmična napreznja(“vučna sila vode”)

SIRg =ρ≈τ

18

ZA ŠIROKA KORITA

hBhB

h2BhB

OFR =≈

+≈=

IhgkS mmax ρ=

IhgkS mmax ρ′=′

hkd d=

B

h

RASPORED POSMIČNIH NAPREZANJAPO OMOČENOM OBODU

)h/b,m(fk,k,k dmm =′

10

19

Dopušteno posmično naprezanje tOD

Iz literatureZa nevezane materijale iz karakteristika materijala tvorbe dna

20

Tvorba dna t OD ( N/m 2 ) Tvorba dna t OD ( N/m 2 )

Kvarcni pijesak, d = 0,3 - 0,4 mm 1,8 - 2,0 Glineni šljunak ( nekoloidni ) 15,0 - 20,0

Kvarcni pijesak, d = 0,4 - 1,0 mm 2,5 - 3,0 Šljunak, d = 15 mm 15,0 - 20,0

Pješćana glina ( nekoloidna ) 2,0 Travnati pokrov ( kratko dje. ) 20,0 - 30,0

Postojani glineni talog ( nekol. ) 2,5 Travnati pokrov ( dulje vrijeme ) 15,0 - 18,0

Aluvijalni mulj ( nekol. ) 2,5 Čvrsto srašteni busen 25,0 - 30,0

Kvarcni pijesak, d = 1..2 mm 3,5 - 4,0 Obluče d < 50 mm 30,0 - 40,0

Krupni pijesak 6,0 - 10,0 Obluče d = 50....100 mm 30,0 - 40,0

Čvrsto taloženi pijesak i sitan šljunak 8,0 - 10,0 Zagrađivanje pleterom ( usporedne ili kose na smjer tečenja ) 50,0

Zaobljeni kvarcni šljunak d = 5...15 mm 12,5 Pokrov od plijeve ( kod pokrova dna ) 60,0

Krupni pijesak između površinskih izboč 10,0 Tarac - prema debljini 70,0 - 200,0

Šljunak između površinskih izbočina 15,0 Svežnjevi - otaracani 170,0

Aluvijalni mulj ( koloidan ) 10,0 - 12,5 Kameni nabačaj iz velikih komada 240,0

Glineno tlo ( vrlo koloidno ) 10,0 - 12,5

11

21

Dopušteno posmično naprezanje nevezanih čestica (Meyer-Peter Müller)

[ ]2svno m/Ndg)(047,0 ρ−ρ=τ

22

STABILNO DNO

So >τ

Skso =τ

Ihgkkdg)(047,0 vmssvn ρ=ρ−ρ

)(047,0Ihkkd

vn

vmss ρ−ρ

ρ=

5,12,1ks ÷=

12

23

Dopušteno posmično naprezanje na pokosu

00 n τ=τ′

SSn

0

0 ′=

ττ′

=

222 SsinGRtgcosG ′+α==ϕα

StgG =ϕ ϕα

−α= 2

2

tgtg1cosn

S`G sina

RG

S

G

24

4.2.1.2 Granična brzina toka

2/13/1sg hd57,0v =

6/13/1sg hd46,0v =

2,0267,0sg hd693,0v =

GARBRECHT

SCHAMOV

DEBSKY

[ ]mh,ds

13

25

5,2

cr1

g50n

hmg`kBv

hd

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

ΔΨ=

8 – 10MALA TURBULENCIJA7 – 8NORMALNA TURBULENCIJA5 – 6JAKA TURBULENCIJA

B1

crΨ

0,06POMICANJE0,04POČETAK NESTABILNOSTI0,03NEPOKRETNO DNO

v

vnmρρ−ρ

=Δ

PILARCZYK

26

4.2.2 Problemi lokalne stabilnosti korita

Stupovi mostovaNasipi upornjaka mostovaRegulacijske građevineOštri zavojiVjetrovni valoviValovi generirani prolaskom brodovaPoriv vijka brodova

14

27

Dubina podlokavanja oko stupa

65,0s43,0

1se

hbFrC

hh

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

hgvFr =

C1=2,0 – kružni poprečni presjek

C1=2,2 – kvadratni i izduženipoprečni presjek

bsh

hse

28

Podlokavanje u zoni poprečnih građevina

15

29

Utjecaj oštrih zavoja na promjenu veličine posmičnih naprezanja

Glatko korito

Hrapavo korito

30

Opterećenje pokosa vjetrovnim valovima

valna visina Hvalni period Tvalna duljina L

Osnovni valni parametri:

Utjecajni faktori vjetrovnih valova:

brzina vjetra (jačina)duljina i oblik privjetrištatrajanje vjetradubina vode

16

31

m

proj

50n 25,2Hd

Δ⋅ξ

≥

2/1

o

proj

LH

tan

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

α=ξ

v

vsm ρ

ρ−ρ=Δ

Veličina zrna obloge za vjetrovne valove

32

Opterećenje pokosa strujama uzrokovanim plovilima

Pramčani valPoprečni krmeni valSekundarni tok vodeStruja inducirana brodskim vijkom (poriv)

17

33

34

vsub

1,52,02,5Ub [m/s]

210Vs [m/s]

18

35

4.3 PRORAČUNI PRONOSA NANOSA4.3 PRORAČUNI PRONOSA NANOSA

pronos vučenog nanosaproračun suspendiranog nanosa

36

4.3.1 Proračun pronosa vučenog nanosa (Meyer-Peter Müler)

[ ]2svno m/Ndg)(047,0 ρ−ρ=τ

2/3rn

v nn

QQIRg ⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ρ=τ

vvv bqS =

Qn – protok dijelom korita kojim se pronosi nanos

Q – ukupan protok voden – Manningov koeficijent hrapavosti

nr – Manningov koeficijent hrapavosti površine dna(bez utjecaja hrapavosti forme dna)

bv – širina pojasa korita kojim se pronosi nanos

[ ]s/m/kg)(g

8q 2/3o

vn

n

vv τ−τ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡ρ−ρ

ρρ

=

19

37

4.3.2 Proračun pronosa suspendiranog nanosa

QCS ll =

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡η=

wRvC

3

l

Cl – masena koncentracija nanosa [kg/m3]

h –parametar koji ovisi o turbulentnim značajkama toka (cca 0,024 kg s2/m4)

v – brzina toka vode [m/s]

R – hidraulički radijus [m]

– srednja hidraulička krupnoća [m/s]w