ROZMYCIA NA MODELU JAZU PRZEPUSZCZAJ CEGO WOD! POD I NAD ZASUW
Szczepan Ludwik D bkowski
1), Piotr Siwicki
2), Janusz Urba!ski
2)1) Politechnika "wi#tokrzyska w Kielcach
2) Szko$a G$ówna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie
Streszczenie. W pracy omówiono wyniki do%wiadcze! przeprowadzonych na modelu jazu o okre%lonej geometrii, maj cych na celu rozpoznanie i porównanie procesu kszta$towania si# rozmy& dna koryta poni'ej budowli, gdy wod# przepuszcza si# nad lub pod zasuw . Do-
%wiadczenia wykonano dla czterech nat#'e! przep$ywu i jednego materia$u rozmywalnego w dnie koryta za umocnieniami. W wyniku analiz stwierdzono, 'e dla badanego przypadku korzystniejszy dla bezpiecze!stwa budowli jest sposób przepuszczania wody pod zasu- w . Wyst pi$y wówczas mniejsze g$#boko%ci rozmycia. Odleg$o%& od ko!ca umocnie! do miejsca wyst pienia najwi#kszej g$#boko%ci wyboju by$a wi#ksza dla przep$ywu wody nad zamkni#ciem.
S"owa kluczowe: budowla pi#trz ca, lokalne rozmycia, turbulencja strumienia
WST!P
Na z$o'ono%&, a przez to trudno%ci bada! i analiz kszta$towania si# rozmy& miejsco- wych wp$ywaj zjawiska zachodz ce na wypadzie budowli pi#trz cej oraz hydrologia, geologia i morfologia koryta rzeki. Hydraulika strumienia w dolnym stanowisku zwi za- na jest przede wszystkim z konstrukcj budowli. Kszta$tuj j te': sposób przepuszczania wody przez budowl#, umocnienie koryta, powstaj cy na wypadzie odskok hydrauliczny o cechach zale'nych od rodzaju i dzia$ania urz dzenia do rozpraszania energii, g$#boko%&
wody w korycie rzeki za budowl , rodzaj materia$u tworz cego dno koryta oraz re'im hydrologiczny rzeki.
Podstawowym parametrem charakteryzuj cym lokalne rozmycie koryta za budowl jest jego maksymalna g$#boko%& i jej odleg$o%& od ko!ca fundamentu budowli [Dietz 1969]. Umiej#tno%& przewidywania tych charakterystyk rozmycia zapewnia$aby wi#ksze Adres do korespondencji – Corresponding author: Szczepan Ludwik D bkowski, Politechnika
"wi#tokrzyska w Kielcach, Wydzia$ Budownictwa i In'ynierii "rodowiska, Katedra Geotechniki i In'ynierii Wodnej, al. Tysi clecia Pa!stwa Polskiego 7, 25-314 Kielce, ldab@tu.kielce.pl Piotr Siwicki, Janusz Urba!ski, Szko$a G$ówna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, Wydzia$
In'ynierii i Kszta$towania "rodowiska, Katedra In'ynierii Wodnej i Rekultywacji "rodowiska, ul. Nowoursynowska 159, 02-776 Warszawa, e-mail: piotr_siwicki@sggw.pl;
bezpiecze!stwo i utrzymanie obiektu w nale'ytym stanie technicznym. Z tych powodów badania rozmiarów rozmy& koryt w dolnych stanowiskach ró'nych typów budowli pi#- trz cych wod# maj ju' d$ug histori# i s nadal prowadzone w wielu o%rodkach nauko- wych.
Obszernego przegl du wzorów na g$#boko%& lokalnego rozmycia dna za budowlami pi#trz cymi dokona$ (bikowski [D bkowski i in. 1982], Schleiss i Whittaker [1984], Breusers i Raudkivi [1991]. Od lat stwierdza si#, 'e mimo opracowania licznych wzorów projektanci maj trudno%ci z wyborem do praktycznych zastosowa! takich, które daj wiarygodne wyniki. Nadal zaleca si# prognozowanie g$#boko%ci rozmycia na podstawie bada! na modelach Þ zycznych. Niestety wyniki takich bada! przeliczone na natur# cz#sto znacznie odbiegaj od obserwowanych [D bkowski i in. 1992]. Ró'norodno%& budowli sprawia, 'e wyniki bada! modelowych mo'na w zasadzie stosowa& tylko do obiektów o podobnej geometrii i sposobie przepuszczania wody.
W ostatnich dziesi#cioleciach podejmowano liczne próby opisu procesu formowania si# rozmy& poni'ej ró'norodnych budowli wodnych. Mo'na je podzieli& na empiryczne, teoretyczne i po%rednie, czyli takie, w których wzory analityczne s uzupe$niane o wspó$- czynniki empiryczne umo'liwiaj ce uwzgl#dnienie czynników pomijanych w przyj- mowanych schematach teoretycznych [Peiqing 2005]. Rozwój technik pomiarowych i badawczych umo'liwia uwzgl#dnianie coraz to nowych i coraz wi#cej czynników kszta$tuj cych proces erozji koryta, w tym coraz cz#%ciej charakterystyk struktury stru- mienia w odskoku hydraulicznym lub w samym wyboju [Long i in. 1991, Dargahi 2003], roli skali modelu w uzyskiwanych wynikach bada! [Farhoudi i Smith 1982], turbulencji strumienia za odskokiem hydraulicznym i wp$ywu d$ugo%ci umocnie! na g$#boko%& roz- mycia koryta [Rozanov i in. 1984, Long i in. 1990, 1991].
W pracy przedstawiono wyniki analiz porównawczych rozmy& dna na modelu jazu o okre%lonej geometrii, w przypadkach gdy woda przepuszczana jest nad i pod zasuw . Badania rozmy& za jazem z przep$ywem nad zasuw , z kraw#dzi przelewow zaokr glo- n promieniem R = 0,041 m prowadzi$ Siwicki [2002], a badania z przep$ywem pod zasu- w z ostr kraw#dzi – Urba!ski [2003]. Uzyskane wyniki obrazuj w pewnym stopniu rozwój i g$#boko%ci rozmy& za tym samym jazem zasuwowym z nieck wypadow , gdy zmieni si# sposób przepuszczania wody. Oba przypadki bada! dotyczy$y modelu jazu w skali geometrycznej 1 : 30.
METODYKA BADA#
Do%wiadczenia na stanowisku badawczym przedstawionym schematycznie na rysun- ku 1 prowadzono w laboratorium hydraulicznym SGGW na modelu jazu, dla którego uprzednio badania rozmy& (w innej skali) prowadzi$ (bikowski [1970] w laboratorium hydraulicznym Politechniki Warszawskiej. Geometri# tego jazu, schematy hydrauliczne i parametry strumienia wody w obu analizowanych sposobach jej przepuszczania przed- stawiaj schematy na rysunku 2.
Rozmycie formowane by$o przez strumie! wody czystej, tzn. bez przep$ywu mate- ria$u sta$ego z górnego do dolnego stanowiska budowli. Cz#%& rozmywalna dna koryta za umocnieniem mia$a d$ugo%& 4,5 m i g$#boko%& 0,8 m. Wype$nia$ j piasek sortowany
Rys. 1. Schemat stanowiska badawczego: 1 – zbiornik górny, 2 – zawór regulacyjny, 3 – ko$owy przelew pomiarowy, 4 – model zasuwy z nieck i umocnieniem, 5 – dno rozmywalne, 6 – dno nierozmywalne, 7 – osadniki, 8 – zastawki pi#trz ce, 9 – zbiornik dolny, 10 – pompa
Fig. 1. Schema of investigated station: 1 – upper reservoir, 2 – control valve, 3 – controlled spill- way, 4 – model of gate with stilling pool and protection, 5 – eroded bed, 6 – noneroded bed, 7 – settler, 8 – storage locks, 9 – bottom reservoir, 10 – pump
Rys. 2. Schemat jazu poddanego badaniom: a – geometria jazu i jej parametry, b i c – schematy hydrauliczne odpowiednio dla przep$ywu nad i pod zasuw ; 1 – zasuwa pi#trz ca, 2 – nie- cka, 3 – umocnienia dna, 4 – dno rozmywalne, 5 – dno nierozmywalne
Fig. 2. Schema of investigated dam with to case of outß ow: a – geometry of dam, b and c – hydraulic schema for outß ow over and above gate; 1 – storage gate, 2 – stilling pool, 3 – bed protection, 4 – eroded bed, 5 – noneroded bed
o uziarnieniu i charakterystykach przedstawionych w tabeli 1. G$ównymi elementami modelu jazu by$y: %ciana pi#trz ca – p$askie zamkni#cie zasuwowe, niecka wypadowa, odcinek dna umocnionego oraz odcinek dna rozmywalnego.
Do%wiadczenia przeprowadzono dla czterech nat#'e! przep$ywu, którym odpowia- da$y okre%lone nape$nienia koryta w stanowisku górnym (Hg) i dolnym (h) – tabela 2.
W do%wiadczeniach przyj#to, 'e wielko%ci decyduj c , wzgl#dem której analizowano g$#boko%ci rozmycia, jest po$o'enie zwierciad$a wody dolnej (WD). Wynika ono bowiem z krzywej nat#'enia przep$ywu dla koryta w dolnym stanowisku jazu. W obu przypadkach do%wiadczenia prowadzono wi#c dla tych samych nat#'e! przep$ywu ca$kowitego (Q) i przep$ywów jednostkowych (q = Q/B) oraz przyporz dkowanych im g$#boko%ci wody w stanowisku dolnym (h). Po$o'enie zwierciad$a wody górnej (WG) nad przelewem kszta$- towa$o si# swobodnie w zale'no%ci od zadanego nat#'enia przep$ywu wody. W przypad- ku strumienia przelewaj cego si# nad zasuw poziom WD nie wp$ywa$ na poziom WG, bo przelew by$ niezatopiony. W przypadku modelu z wyp$ywem spod zasuwy ten sam poziom WG jak na przelewie osi gano, reguluj c wysoko%& podniesienia zasuwy (a).
W do%wiadczeniach Siwickiego [2002] (schemat na rys. 2b) poziom kraw#dzi przele- wu, czyli górnej kraw#dzi zasuwy by$ sta$y, a wi#c po$o'enie zwierciad$a WG ustala$o si#
zgodnie ze zmian grubo%ci warstwy przelewowej (H), zale'nej od nat#'enia przep$ywu.
Energia strumienia nad dnem niecki wypadowej wyra'a$a si#, zgodnie ze schematem na rysunku 2b, równaniem:
E P b H v
g
= + + +αo o2
2 (1)
gdzie: vo – %rednia pr#dko%& wody dop$ywaj cej do przelewu,
H – wysoko%& warstwy strumienia wody nad kraw#dzi przelewu,
o – wspó$czynnik Saint Venanta w przekroju na dop$ywie, P, b – zgodnie z oznaczeniami na rysunku 2a,
g – przyspieszenie ziemskie.
Pr#dko%& strumienia dop$ywaj cego obliczano z ilorazu nat#'enia i pola przekroju poprzecznego, a warto%& wspó$czynnika w obu przypadkach przyjmowano równ 1.
Tabela 1. Charakterystyki uziarnienia piasku u'ytego na modelu Table 1. Characteristics diameters of sand used on the model
"rednice charakterystyczne
Characteristic diameters d5 d10 d16 d50 d60 d84 d90 d95
Warto%ci – Values [mm] 0,42 0,53 0,64 1,10 1,40 2,00 2,40 2,50
Bezwymiarowe charakterystyki uziarnienia – Dimensionless characteristics of granulation
u d d
= 60
10
d d p
m i i
=∑ 100
c d d d
= 90 10
10
2 σg d
d
= 84
16
d d
95 5
2,64 0,90 1,05 1,77 5,95
Dla schematu jazu z wyp$ywem strumienia spod zasuwy (Urba!ski 2003) mamy:
E b H v
g o og
= + +α 2
2 (2)
gdzie Hg – g$#boko%& wody w górnym stanowisku jazu (rys. 2c) zale'na od wysoko%ci podniesienia zasuwy (a), nat#'enia przep$ywu (Q), wspó$czynnika wydatku otworu (!) oraz od stopnia zatopienia otworu wod doln .
Ze wzgl#du na ró'ne w obu przypadkach straty energii strumienia wody na drodze przep$ywu od górnego do dolnego stanowiska jazu oczekiwa& nale'y ró'nych warto%ci g$#boko%ci sprz#'onych h1 i h2 oraz stopnia zatopienia odskoku, obliczanego tak jak naj- cz#%ciej w praktyce [CBSiPWM, 1970], ze wzoru:
σz h D z
= + +h ∆
2
(3)
gdzie "z – spi#trzenie strumienia na wyp$ywie z niecki, obliczane jako: ∆z vh
= 2−v g
2 2
2 , gdzie vh i v2 – pr#dko%ci w przekrojach strumienia o g$#boko%ciach odpowiednio h i h2.
Dla przep$ywu pod zasuw g$#boko%ci sprz#'one obliczano w sposób omówio- ny szczegó$owo w pracy D bkowskiego i Urba!skiego [2005]. Za pierwsz g$#boko%&
sprz#'on (h1)przyj#to najmniejsz g$#boko%& strumienia za zasuw , nazywan przez Tabela 2. Parametry strumieni i odskoków hydraulicznych w badaniach
Table 2. Hydraulic parameters of ß ow and hydraulic jump during of investigation a) z przep$ywem wody nad zamkni#ciem
outß ow over gate
Q q Hg h H E h1 h2 #z
m3#s–1 m2#s–1 m m m m m m –
0,024 0,024 0,384 0,092 0,064 0,452 0,013 0,090 1,63
0,049 0,049 0,417 0,133 0,097 0,486 0,024 0,132 1,43
0,073 0,073 0,445 0,165 0,125 0,515 0,034 0,161 1,37
0,122 0,122 0,479 0,215 0,159 0,551 0,048 0,227 1,20
b) z wyp$ywem spod zamkni#cia outß ow above gate
Q q Hg h a E h1 h2 #z
m3#s–1 m2#s–1 m m m m m m –
0,024 0,024 0,384 0,092 0,016 0,452 0,010 0,109 1,36
0,049 0,049 0,417 0,133 0,033 0,486 0,020 0,157 1,22
0,073 0,073 0,445 0,165 0,049 0,515 0,030 0,190 1,18
0,122 0,122 0,479 0,215 0,084 0,551 0,052 0,242 1,14
)ertousova [1962] g$#boko%ci zd$awion , i obliczan jako h1 = $a, gdzie $ jest wspó$- czynnikiem d$awienia. Jego warto%& zawarta w przedziale (0,615–0,69) uzale'niona jest przez (ukowskiego [Kiselev 1974] od stosunku a/H. Drug g$#boko%& sprz#'on (h2) obliczono z równania:
h h q
2 1 gh2
13
2 1 8 1
= + −
(4)
Dla przep$ywu nad zasuw pierwsz g$#boko%& sprz#'on (h1) obliczano z wysoko%ci energii w przekroju jej wyst pienia, wyra'onej wzorem:
E h m H
o= 1+ 2 ho 2
3
12
α
ϕ (5)
gdzie: Eo – energia strumienia powy'ej przelewu, m – wspó$czynnik wydatku przelewu,
% – wspó$czynnik pr#dko%ci.
Wspó$czynnik m obliczono dla ka'dego do%wiadczenia z równania (6) [Obliczenia...
1986], natomiast warto%& wspó$czynnika % przyj#to równ 1,0:
m H
R
H R
H
= + R
−
+
2
3 0 54525 0 20494 0 062301 0 0059519
2
, , , ,
3
(6)
Eksperymenty na obu modelach przebiega$y w nast#puj cych etapach:
I – przygotowanie modelu, polegaj ce na zag#szczeniu piasku i wyrównaniu po- wierzchni oraz powolnym nawodnieniu i zalaniu modelu wod ,
II – formowanie rozmycia przez strumie! wody, trwaj ce w obu przypadkach 480 minut,
III – pomiar geometrii uformowanego wyboju.
WYNIKI BADA# I ICH ANALIZA
Analizie poddano proÞ le rozmy& pomierzone w osi koryta (rys. 3) oraz warto%ci pod- stawowych charakterystyk wyboju, oznaczonych na ogólnym schemacie proÞ lu rozmy- cia dna (rys. 4) i zestawione w tabeli 3.
ProÞ l wyboju jest charakteryzowany jego g$#boko%ci maksymaln (hmax) i jej od- leg$o%ci od kraw#dzi p$yty umocnienia (Xmax), odleg$o%ci od kraw#dzi umocnienia do punktu przeci#cia proÞ lu wyboju z lini dna pierwotnego (zerowa g$#boko%& rozmycia – Xr), uskokiem dna wyboju w pionowej p$aszczy*nie kraw#dzi umocnienia (hs), k tem $ nachylenia do poziomu prostej $ cz cej kraw#d* umocnienia z najni'szym punktem dna wyboju. Warto%ci wymienionych wielko%ci ukszta$towa$y si# po czasie 480 min trwania przep$ywu, jednakowym dla wszystkich do%wiadcze!. Dla odsypiska za wybojem, któ-
re powsta$o w do%wiadczeniach z dwoma mniejszymi przep$ywami wody, a dla dwóch wi#kszych nat#'e! przep$ywu nie wyst pi$o, przyj#to nast#puj ce charakterystyki: ob- ja%niona ju' odleg$o%& (Xr), najwi#ksza wysoko%& odsypiska mierzona od poziomu dna pierwotnego (hl) i ca$kowita d$ugo%& odsypiska (Xl). Brak w tabeli 3 charakterystyk odsy- piska oznacza, 'e nie wyst pi$o ono w danym do%wiadczeniu.
Ogólna analiza uzyskanych wyników do%wiadcze! prowadzi do stwierdzenia, 'e:
1. We wszystkich do%wiadczeniach wi#ksze rozmycia powsta$y w przypadku prze- puszczania wody nad zamkni#ciem. By$y one zarówno g$#bsze, jak i bardziej rozleg$e.
2. Maksymalna g$#boko%& wyboju by$a we wszystkich do%wiadczeniach wi#ksza dla przep$ywu nad zamkni#ciem, przy czym ró'nica zmniejsza$a si# wraz ze wzrostem nat#- 'enia przep$ywu wody. Dla dwóch przep$ywów mniejszych wynosi$a 30 i 29,6%, a dla dwóch wi#kszych – odpowiednio 4 i 3,4%.
3. Maksymalna wysoko%& odsypiska materia$u wyerodowanego, tworz cego si# za wybojem w do%wiadczeniach z mniejszymi przep$ywami, by$a mniejsza i by$o ono bar- dziej wyd$u'one.
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5
0 50 100 150 200 250 300 350 400
x [cm]
hr [cm]
nad zamkni ciem over gate
pod zamkni ciem above gate q = 0,024 m2/s
q = 0,049 m2/s q = 0,073 m2/s q = 0,122 m2/s q = 0,024 m2/s q = 0,049 m2/s q = 0,073 m2/s q = 0,122 m2/s Rys. 3. ProÞ le pod$u'ne rozmy& dla dwóch sposobów przepuszczania wody Fig. 3. Compare of longitudinal sections of scour for two case of outß ow
Rys. 4. Schemat i wielko%ci charakteryzuj ce proÞ l dna w ko!cu do%wiadczenia Fig. 4. Schema and values characterized bed proÞ le at the end of investigation
Tabela 3. Parametry rozmy& w do%wiadczeniach na modelach Table 3. Scour parameters of investigations on models qhmaxXmaxtg +hshs/hmaxXrkrhlXlklVrVlVl/Vr m2#s–1mm–m–m–mm–m3m3– Przep$yw nad zamkni#ciem – Outß ow over gate 0,0240,0330,130,2540,0140,420,4714,20,0150,39260,01610,01420,88 0,0490,0860,350,2460,0250,291,2814,90,0250,75300,09500,01890,20 0,0730,1610,520,3100,0300,190,2810 0,1220,2620,910,2880,0430,160,6411 "rednie – Mean0,2740,27 Wyp$yw spod zamkni#cia – Outß ow above gate 0,0240,0240,100,2400,0060,250,3012,50,0190,83440,01220,01170,96 0,0490,0850,270,3150,0210,250,779,10,0040,451130,06380,01920,30 0,0730,1560,500,3120,0380,240,2159 0,1220,2370,880,2690,0600,250,5379 "rednie – Mean0,2840,25 Obja%nienia symboli niewyst#puj cych na rysunkach: kr = Xr/hmax, kl = Xl/hl, Vr – obj#to%& materia$u wyerodowanego z wyboju, Vl – obj#to%& odsypiska. Explanations of symbols not deÞ ne on the sketch: kr = Xr/hmax, kl = Xl/hl, Vr – volume of eroded material, Vl – volume of deposition.
4. Dla obu sposobów przepuszczania wody i dla wszystkich badanych przep$ywów powsta$e rozmycia charakteryzowa$y si# podobnym ukszta$towaniem obni'aj cego si#
stoku wyboju od strony umocnie!. Wznosz cy si# stok by$ $agodniej, korzystniej dla p$yty nachylony w przypadku przepuszczania wody nad zamkni#ciem.
5. W do%wiadczeniach z wyp$ywem wody spod zasuwy wyboje ukszta$towane przez mniejsze przep$ywy mia$y bardziej zwarty kszta$t, o czym %wiadcz warto%ci wspó$czyn- nika kr = Xr/hmax.
6. Dla obu sposobów przepuszczania wody maksymalna g$#boko%& rozmycia (hmax) ros$a wraz ze wzrostem nat#'enia przep$ywu (rys. 5).
Wyniki pomiarów najwi#kszych g$#boko%ci wyboju w funkcji nat#'enia przep$ywu jednostkowego wody (q) wyrównano:
– liniami prostymi, uzyskuj c dla przedzia$u q w do%wiadczeniach równania podane na rysunku 5a o du'ych warto%ciach wspó$czynników korelacji (R2 = 0,98); uk$ad prostych regresji wskazuje, 'e wi#ksze g$#boko%ci rozmy& kszta$towa$y si# w do%wiadczeniach z przep$ywem wody nad zamkni#ciem,
– krzyw paraboliczn drugiego stopnia, uzyskuj c równania podane na rysunku 5b o warto%ciach R2 = 0,98–0,99.
Obliczono %rednie warto%ci tangensa k ta +, zawartego mi#dzy lini pocz tkowe- go, poziomego dna koryta a odcinkiem $ cz cym kraw#d* ko!ca umocnie! z miejscem wyst#powania maksymalnej g$#boko%ci wyboju (hmax – rys. 4) i warto%ci zamieszczono w tabeli 3. W do%wiadczeniach z przep$ywem wody nad przelewem %rednia warto%& tg+
by$a równa 0,274, a warto%ci skrajne wynosi$y 0,246 i 0,310. Dla wyp$ywu spod zasuwy
%rednia warto%& tg+ wynosi$a 0,284, a skrajne 0,240 i 0,315. Wynika z tego, 'e wi#kszy k t nachylenia skarpy do$u rozmycia od strony umocnie! wyst#puje w przypadku prze- puszczania wody pod zamkni#ciem.
We wszystkich do%wiadczeniach w obu wariantach przepuszczania wody tworzy$o si#
rozmycie kraw#dziowe (hs). Na rysunku 6 przedstawiono wielko%ci tego rozmycia, tzn.
g$#boko%ci ods$oni#cia umocnie! w zale'no%ci od jednostkowego przep$ywu (q). Wraz Rys. 5. Maksymalne g$#boko%ci rozmy& w funkcji q: a – wyrównane prost , b – wyrównane
parabol drugiego stopnia
Fig. 5. Maximum depth of scour in investigations: a – linear regression, b – parabolic regres- sion
hmax = 2,10q R2 = 0,98
hmax = 1,94q R2 = 0,98
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 q [m2/s]
hmax [m]
hmax = 2,47q2 + 1,92q R2 = 0,99
hmax = 0,12q2 + 2,04q R2 = 0,98 0,00
0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 q [m hmax [m]
pod zamkni ciem
nad zamkni ciem
a) b)
a b
pod zamkni ciem above gate nad zamkni ciem over gate
q [m2·s–1]
q [m2·s–1]
ze wzrostem przep ywu rozmycie kraw!dziowe intensywniej rozwija o si! na modelu z wyp ywem spod zasuwy, na co wskazuje wzajemne po o"enie punktów. #rednie warto-
$ci ilorazów hs/hmax wynosz% w przypadku przepuszczania wody nad zamkni!ciem 0,27, a dla wyp ywu spod zasuwy 0,25 (tab. 3).
Porównano równie" obj!to$ci (Vr) materia u wyerodowanego z wyboju w obu przy- padkach (rys. 7). Zauwa"y& mo"na, "e nieznacznie wi!ksze kubatury do ów rozmycia po jednakowym czasie wyst%pi y w do$wiadczeniach z przep ywem wody nad zamkni!- ciem.
W do$wiadczeniach z przep ywami q = 0,024 m2 s–1 i q = 0,049 m2 s–1 na obu mode- lach za wybojem kszta towa y si! odsypiska materia u wyerodowanego. By y one mniej- sze, gdy woda przep ywa a nad zamkni!ciem. Oznacza to, "e w tym przypadku na dnie wyboju wyst!powa y wi!ksze pr!dko$ci, o czym mo"e $wiadczy& te" g !bsze rozmycie dna. Wi%"e si! to bez w%tpienia z hydraulik% strumienia wody w niecce wypadowej i na p ycie umocnienia, zale"n% od sposobu przepuszczania wody przez jaz.
Obliczono obj!to$& rumowiska wyniesionego przez strumie' poza dó rozmycia (Vl) (tab. 3) oraz stosunek Vl/Vr, którego warto$& dla przep ywu q = 0,024 m2 s–1 wynosi oko o 0,88–0,96, a dla q = 0,049 m2 s–1 – 0,20–0,30. Zmniejszanie si! obj!to$ci odsypi- Rys. 6. G !boko$& rozmycia przy kraw!dzi umocnie' dla badanych przep ywów
Fig. 6. Depth of scour at the end of protection for investigated discharge
Vr = 36,2q2 - 0,08q R2 = 0,98 Vr = 37,6q2 + 0,82q
R2 = 0,98
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 q [m2/s]
Vr [m3]
pod zamkni ciem
nad zamkni ciem
q [m2·s–1]
pod zamkni ciem above gate nad zamkni ciem over gate
Rys. 7. Obj!to$ci materia u wyerodowanego z wybojów w do$wiadczeniach Fig. 7. Capacity of eroded material from undermining in investigation
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 q [m2/s]
hs [m]
.
,
pod zamkni!ciem above gate
nad zamkni!ciem over gate
ska wraz ze wzrostem przep ywu wynika z tego, "e towarzysz%cy temu wzrost pr!dko-
$ci przyspiesza erozj! odsypiska. Tym te" mo"na t umaczy& istnienie odsypiska po tym samym czasie do$wiadczenia dla mniejszych przep ywów i jego brak (bo ju" zosta o rozmyte) dla przep ywów wi!kszych. Oznacza to zarazem, "e czas trwania do$wiadcze' by zbyt krótki, by zd%"y y uformowa& si! ostateczne rozmiary wybojów. Tym niemniej do$wiadczenia wykaza y, "e tempo procesu rozmycia w obu badanych przypadkach jest inne – szybsze, gdy woda przep ywa a nad zamkni!ciem.
WNIOSKI
Wnioski z analizy wyników do$wiadcze' prowadzonych w czasie 480 min na modelu jazu o takiej samej geometrii, zbudowanym w korycie o takim samym materiale roz- mywalnym dna, bez przep ywu rumowiska rzecznego z górnego do dolnego stanowiska sformu owano w poni"szych punktach:
1. Na obu modelach g !boko$& maksymalnego rozmycia ros a wraz ze wzrostem na- t!"enia przep ywu, przy czym wi!ksze g !boko$ci i rozleglejsze rozmycia formowa y si!
na modelu z przep ywem wody nad zasuw%.
2. W do$wiadczeniach z mniejszymi nat!"eniami przep ywu tworzy y si! na modelu odsypiska materia u wyerodowanego. Zmienia y one pola pr!dko$ci i post!p erozji dna.
Do$wiadczenia trwa y zbyt krótko, aby mo"na by o prze$ledzi& dalszy rozwój procesu rozmywania odsypiska, co niew%tpliwie wyst!puje po d u"szym czasie i wp ywa na wa- runki hydrauliczne w dole rozmycia.
3. G !boko$& ods oni!cia (hs) kra'ca umocnie' w wyniku rozmycia dna koryta rów- nie" wzrasta a wraz ze wzrostem nat!"enia przep ywu. Nie nast!powa o to jednak rów- nomiernie w czasie, lecz na pocz%tku skokowo. Przy wi!kszych przep ywach ods oni!cia by y wi!ksze.
4. Odleg o$& najwi!kszej g !boko$ci rozmycia od kra'ca umocnie' by a wi!ksza (dla wi!kszych przep ywów) w przypadku przepuszczania wody nad zamkni!ciem.
PI MIENNICTWO
Breusers H.N.C., Raudkivi A.J., 1991. Scouring: Design Manual 2, IAHR, Balkema.
CBSiPWM, 1970. Wytyczne instrukta"owe projektowania budowli wodno-melioracyjnych – jazy.
Warszawa.
(ertousov M.D., 1962. Gidravlika – specjalnyj kurs. Gosudarstvennoje Energeti)eskoje Izdatelst- vo, Moskva, Leningrad.
Dargahi B., 2003. Scour development down stream of a spillway. J. of Hydr. Res. 41, 4, 417–426.
D%bkowski Sz.L., Urba'ski J., 2005. D ugo$& odskoku hydraulicznego na dwóch modelach jazu.
Zeszyty Naukowe Akademii Rolniczej im. H. Ko %taja w Krakowie 420, In"ynieria
#rodowiska 26, 529–539.
D%bkowski Sz.L., Skibi'ski J., *bikowski A., 1982. Hydrauliczne podstawy projektów wodnome- lioracyjnych. PWRiL, Warszawa.
D%bkowski Sz.L., Bajkowski S., Hajkiewicz J., 1992. Rozmycia dna koryta Narwi poni"ej jazów.
Gospodarka Wodna 8, 188–191.
Dietz J.W., 1969. Kolkbildung in feinen oder leichten Sohlmaterialien bei strömen dem Abß uß. Mit- teilungen des Theodor Rehbock Flußbaulaboratorium, Universität Fridericiana Karlsuhe, Karlsruhe, Germany, Heft 155.
Farhoudi J., Smith K.V.H., 1982. Time scale for scour downstream of hydraulic jump. Proceedings ASCE Journal of Hydraulic Engineering, HY, 10, 108, 1147–1162.
Kiselev P.G., 1974. Spravo)nik po gidravli)eskim ras)etam. Energia, Moskva.
Long D. i in., 1990. LDA study of ß ow structure in submerged hydraulic jump. J. of Hydr. Res., 28, 4, 437–460.
Long D. i in., 1991. Structure of ß ow in hydraulic jumps. J. of Hydr. Res. 29, 2, 207–218.
Obliczenia hydrauliczne przelewów wodno-melioracyjnych, 1986. PWRiL, Biblioteczki Wiado- mo$ci IMUZ, Warszawa.
Peiqing L., 2005. A new method for calculating depth of scour pit caused by overß ow water jets. J.
of Hydr. Res. 43, 6, 696–702.
Rozanov N.P. i in., 1984, Ustrojstva nižnego b’efa vodosbrosov. KO+OS, Moskva.
Schleiss A., Whittaker J.G., 1984. Scour related to energy dissipators for high head structures. Mit- teilungen der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie, Zürich.
Siwicki P., 2002. Analiza wp ywu skali modelu i uziarnienia materia u dennego na kszta towanie si! w warunkach laboratoryjnych rozmy& koryta poni"ej jazu. Rozprawa doktorska, ma- szynopis. Katedra In"ynierii Wodnej i Rekultywacji #rodowiska SGGW, Warszawa.
Urba'ski J., 2003. Mechanizm tworzenia si! rozmy& za jazem w $wietle eksperymentalnych bada' modelowych. Rozprawa doktorska, maszynopis. Katedra In"ynierii Wodnej i Rekultywa- cji #rodowiska SGGW, Warszawa.
*bikowski A., 1970. Badania laboratoryjne zale"no$ci g !boko$ci rozmycia poni"ej przelewu od d ugo$ci umocnie' i czasu trwania do$wiadczenia. Rozprawa doktorska, maszynopis. Po- litechnika Warszawska, Warszawa.
LOCAL SCOUR ON DAM MODELS WITH OUTFLOW OVER AND ABOVE GATE
Abstract. The paper describes a results of investigation carried out on model of dam in order to recognize and compare process of scouring below of the tired construction with outß ow over and above gate. Investigations were conducted for four intensity of ß ow and used one kind of sand in eroded area in downstream. In results of analyses show that depths of scour are smaller for outß ow above gate. Distance of occurrence maximum depth of scour from end of protection was larger for outß ow over gate.
Key words: storage structure, local scour, turbulence of stream
Zaakceptowano do druku – Accepted for print: 30.07.2007
