UNIVERZITET U TUZLI RUDARSKO-GEOLOŠKO-GRAĐEVINSKI FAKULTET PRELIVI I BRZOTOCI Prof. dr. sc. NEDIM SULJIĆ, dipl.ing.građ. 1 PRELIV SA BRZOTOKOM PrsBr EO sastavljen od: -niskog prelivnog praga kao ulaznog dijela -brzotoka (kanal strmog pada) -umirujući bazen ili ski odskok kao izlazni dio PrsBr PrsBr najčešće kod nasutih brana postavlja se na padini uz branu postavlja se kao potpuno odvojena HG obično na prevoju Prelivni (zahvatni) dio: 1) Čeoni preliv (sa prilaznim kanalom) -voda sa čela (direktno) preko prelivnog praga ulazi u brzotok 2) Bočni preliv sa sabirnim kanalom i prilaznim kanalom -ako nema dovoljno prostora da sa čela se razvije preliv potrebne 2 L 1
Preliv sa brzotokom 3 Preliv Bočni preliv Čeoni preliv sa ili bez ustava obično slobodan (bez ustava) sa ili bez ustava Preliv sa ili bez ustava važe ista načela kao i kod prelivne GBB: a) Sagledati sigurnost -vodeći računa o katastrofalnim posljedicama rušenja brane b) Ekonomsko vrednovanje -obuhvatiti sve objekte i opremu na koju utiče postavljanje ustava 4 2
ČEONI PRELIV ČP = prelivni prag (obično praktičnog profila) niska HG usječena u padinu (potrebno napraviti prilazni dio) dolazne v značajne postepeno ubrzanje toka, pravilno i ravnomjerno usmjeravanje po cijeloj L preliva Modelska ispitivanja i iskustva izgrađenih objekata: L prilaznog dijela najmanje L p =2H R (H R projektovana (računska) visina prelivnog mlaza 5 Prelivni prag čeonog preliva 6 3
* Modelska ispitivanja i iskustva izgrađenih objekata: L prilaznog dijela najmanje Lp=2HR (HR projekt. (računska) visina prelivnog mlaza Uzvodne razdjelne zidove povezati sa krilnim zid. (povezati kružnom krivinom R=L p ) smanjenje gubitaka i kontrakcije mlaza Razdjelni i krilni zid postavljen uz branu štiti kosinu brane od erozije mlaza Stubove na prelivu postaviti uzvod. od preliv. Ivice na rastojanju L s =H R 7 Prilazni dio = dio konstrukcije prelivnog praga Ispred prilaznog dijela usjeći prilazni kanal (osiguranje Q vode i pravilno strujanje ka prelivu) Moguća erozija dna i obala u prilaznom kanalu (oblaganje kamenom ili gabionima) Uzvodni kraj temelja postaviti vertikalni uzvodni zastor smanjiti procurivanje i uzgon ispod prelivnog praga (efikasniji rad drenaže koja štiti nizvodni brzotok od provirnih voda) 8 4
Prelivni prag čeonog preliva Veza prelivnog dijela sa brzotokom Prelivni prag nizak odnos H R / P obično > 1 (nekada > 2) (preporuka H R / P < 4) nizak koeficijent prelivanja nećemo izgubiti prednost koju daje preliv praktičnog profila Koso uzvodno lice praga nagiba 1:1/3 do 1:1 nešto veći koef. prelivanja 9 BRZOTOK Obložen kanal strmog pada burni režim tečenja Voda preko preliva se odvodi do izlaznog EO dalje u nizvodno korito rijeke Brzotok prelivne GBB dio same konstrukcije brane Klasičan brzotok konstruktivno neovisan objekat Klasičan brzotok -samoaeracija i stojeći talasi -nagib dna < 35% (I D < 0,35) mogu nastati i translatorni talasi Translatorni talasi niz naglih (strmih) poremećaja nivoa i Q (kreću se u pravilnim razmacima niz brzotok) 10 5
Translatorni talasi nastaju usljed promjene nestabilnosti plitkih tokova (u koritu pravougaonog poprečnog presjeka) mogu se izbjeći ako je poprečni presjek = h / O > 0,1 (odnos dubine i okvašenog obima > 10%) ovaj uslov treba zadovoljiti pri računskom Q ili pri opsegu Q u kome će kanal najčešće raditi (za manje Q dozvoljava se pojava talasa) Brzotok (obloženi kanal) -sastavljen od ploče i zidova (obično vertikalni) (ovim određen proticajni presjek) -sastavljen od drenaže (osigurava stabilnost protiv isplivavanja i ispiranja temelja) 11 Trasa i profil brzotoka -prema topografskim i geološkim uslovima -prema dispoziciji drugih objekata -težiti da podužni I bude što strmiji skraćujemo trasu i donekle poprečni presjek -obim zemljanih radova što manji -da se cijelom dužinom oslanja na stijenu -da se voda što više usmjeri u pravcu korita (nizv.) povoljnije strujanje i manja erozija 12 6
Trasa brzotoka u osnovi -prava linija, obično bez krivina (krivine u burnom toku izazivaju strme talase) -ako primjenimo krivinu (koristiti fizički model) utvrditi optimalni položaj i oblik kanala (da se ne jave kosi talasi pri Q mjerodavno) 13 NASUTA BRANA OTVARANJA PRELIVA 14 7
Brzotoci -prelomi u vertikalnoj ravni dopušteni (za razliku od horizontalnih krivina) -prate konfiguraciju terena (obim zemljanih radova minimalan) Ulazni nagib preloma strmiji od izlaznog -koristimo kružnu prelaznicu R = 4 do 10h 1 -u slučaju blagog preloma prelaznicu možemo izostaviti 15 Ulazni nagib preloma blaži od izlaznog -prelom od blažeg ka strmijem osigurati od podpritiska (sa pratećom kavitacijom i nekontrolisanim odljepljivanjem mlaza) osigurati prelaznicom odgovarajućeg oblika ili na mjestu preloma postaviti aeraciju -prelaznicu oblikovati postupkom sličnim kod prelivne ivice (Krigerov preliv) -dno prelaznice brzotoka prati donju ivicu mlaza (koji napušta uzvodnu dionicu putanjom kosog hica) dok ona ne nalegne (tangira) na dno nizvodne dionice 16 8
Ulazni nagib preloma blaži od izlaznog -ako u početnoj tački zamišljenog mlaza (tačka A) napišemo j-nu hica za koordinatni sistem x, A, y dobit ćemo: -nagib dna uzvodne dionice (n 1 ) f-ja od Θ -ako umjesto g usvojimo ubrzanje od 2/3 od g prethodna j-na glasi: (1) U j-ni hica računamo sa vertikalnim ubrzanjem koje je manje od stvarnog g odnosno 2/3 od g 17 Ulazni nagib preloma blaži od izlaznog -u krajnjoj tački hica (tačka B) (zahtjeva se da Ι putanje hica (dy / dx) bude = Ι nizvodne dionice dionice nizvodna dionica brzotoka (n 2 ) mlaz da tangira nizvodnu dionicu odavde dobijamo dužinu putanje mlaza (dužina prelaznice) x B (2) 18 9
Ulazni nagib preloma blaži od izlaznog -visina putanje y B računa se iz ranije datog izraza -dužina x B i visina y B opisuju međusobno rastojanje krajnjih tačaka prelaznice A i B (za pretpostavljenu v mlaza) -tačno određivanje prelaznice u prostoru odrediti v mlaza i tačan položaj tačaka A i B (izračunati rastojanje između početka prelaznice (A) i tačke presjeka pravca uzvodne i nizvodne dionice (O) 19 Ulazni nagib preloma blaži od izlaznog Za navedeno prethodno rečeno, primijenit ćemo slijedeći postupak: 1) Za brzinu v usvojiti vrijednost koja bi se javila u O (tačka presjeka pravaca) 2) Sa pretpostavljenom v izračunati relativna rastojanja x B i y B (preko j-na 1 i 2) dobijamo: 20 10
Slučaj: Dugački brzotok malog I dna završava se umirujućim bazenom: korisno da I dna brzotoka neposredno ispred bazena bude strmiji time smanjujemo neravnomjernost v u presjeku mlaza koji ulazi u bazen (ovo nastaje zbog većeg otpora uz zidove nego u sredini korita brzotoka) omogućava se bolji rad umirujućeg bazena 21 Širina brzotoka: -određivanje ekonomskom analizom -razmatramo nekoliko alternativnih širina (b 1, b 2, b 3 ) -za ove širine odredimo cijene koštanja brzotoka -izaberemo rješenje (širinu) sa min. koštanjem uz tehničke uslove -kraći brzotoci obično const. b cijelog PP (preliv+brzotok+izlazni dio) određivanje prema koštanju umirujućeg bazena ili prelivnog praga -dugački brzotoci optimalna b brzotoka znatno manja od b preliva i umirujućeg baz. gradimo tzv. prelazne dionice 22 11
Suženje brzotoka spriječavanje nastanka translatornih talasa Prelazne dionice -ako nisu dobro oblikovane širenje ili suženje nije postepeno u burnom režimu nastaju kosi strmi talasi i njihove posljedice (znatno nadvišenje NV; vibracije; neravnomjeran raspored Q) kosi strmi talasi posebno izraženi kod brzotoka sa malom I dna Prelazna dionica na koritu brzotoka 23 -prema kriteriju stepena proširenja i suženja (koji omogućava povoljne hidrauličke uslove) odsustvo strmih talasa postiže se ako je: α ugao između zida prelaznice i sredine kanala F R1 Froudov broj u uzvodnom presjeku Prelazna dionica na koritu brzotoka 24 12
-za proširenje preporučuje se blaži kriterij (1995) -Liniju nivoa duž brzotoka: (izračunati zbog dimenzioniranja bočnih zidova) (izračunati zbog određivanja uslova tečenje) na početku izlazne dionice (umirujućeg bazena ili ski odskoka) Prelazna dionica na koritu brzotoka 25 Procurivanje ispod prelivnog praga i loše izvedena spojnica brzotoka voda dolazi u temelj ispod ploče dna korita potrebno izvesti odgovarajuću drenažu temelja (izbjegavanje erozije i/ili sufozije kao i uzgona) 26 13
Povezivanje ploče i drenaža brzotoka -Procjednu vodu prikupiti kroz filtarski sloj (S i G) u perforirane drenaž. cijevi odatle bočnim ispustom izbaciti van objekta u brzotok ili umiruj. bazen ili cijevima sa vanjske strane bočnih zidova odvesti do ispusta 27 Povezivanje ploče i drenaža brzotoka -paziti da izlaz drenaž. odvoda nije prepreka za strujanje u brzotoku ili slapištu pojava kavitacije, pojava dinamičkih pritis., pojava vibracija -drenažne cijevi možemo postaviti iznad prepusta ploče dna brzotoka (e) jednostavno održavanje 28 14
-Brzotok fundirati na stijeni (ako je moguće) prilagoditi dubinu ukopavanja u teren -Često ploče ankerujemo u sredinu (prethodno injekt.) (površinski sloj stijene obično ispucao) zbog opasnosti od uzgona i od vibracija -Stijena ispucala na većoj dubini na spojnicama ploča izvesti zastor (zub) produžava put provirnoj vodi smanjujemo procurivanje i uzgon obično kroz zub zastora postavljamo i anker 29 -Dno i zidovi brzotoka u kampadama (5 10m) -Kampade međusobno povezati (elastičnim zaptivnim trakama spojnicama) omogućavaju vododrživost i primanje termičkih defor. -uzvodna ploča dna uvijek da naleže na nizvodnu ploču u suprotnom (ako nizvodna ploča naliježe na uzvodnu ploču) neravnomjerno slijeganje ploča podizanje nizvodne ploče stvaranje prepreke strujanju i uslova za nastanak kavitacije 30 15
-u SAD nekada na nizvodnoj ploči postaviti zarez onemogućavanje (usljed oštećenja) da se nizvodna ploča podigne iznad uzvodne (i da stvori prepreku tečenju) -i sasvim mali zarez visine a z =1 cm (obično se takav izvodi) izaziva lokalno smanjenje p od p/γ = 0,05v 2 / 2g moguća pojava kavitacije pri većim v ( zarez ne primijeniti pri v > 15 20 m/s) 31 BOČNI PRELIV BP = EO kod koga se voda preliva upravno na pravac toka u sabirni kanal sabirni kanal postavljen duž padine riječne doline omogućava veliku L prelivne ivice BP kada nema dovoljno prostora da bi ČP osigurali potrebnu L prelivne ivice (obično kod NB u uskim kanjonima) Tipična dispozicija sa bočnim prelivom 32 16
Tipična dispozicija sa bočnim prelivom BP ulazni (zahvatni) dio ; provodnik ; izlazni dio -Ulazni dio 1) Preliv vrijedi isto kao i za ČP -Provodnik 2) Sabirni kanal sa bočnim doticajem 3) Prelazna dionica 5) Brzotok 33 Tipična dispozicija sa bočnim prelivom -Duž prelazne dionice turbulentni tok se donekle umiri (prije nego što se upusti u brzotok) -Prelazna dionica pogodna i za savladavanje krivina u trasi (nekada se može izostaviti f-ja topografije i dispozicije objekta) -Prelazna dionica 4) Kontrolni presjek (uspostavlja se h kr ) 5) Izlazni dio (umirujući bazen ili ski odskok) 34 17
SABIRNI KANAL Sabirni kanal uobičajni naziv za kanal sa usputnim bočnim doticajem voda dotiče upravno na osu kanala (ne raspolaže sa količinom kretanja u pravcu toka duž kanala) Elementi bočnog preliva 35 Dimenzioniranje sabirnog kanala -izračunati liniju NV u kanalu koristeći odgovarajući fizički zakon (primijeniti odgovarajuće j-ne tečenja u otvorenim vodotocima) -tečenje u kanalu bez usputne promjene proticaja i bez diskontinuiteta (diskontinuitet odgovara hidrauličkom skoku) jedini otpor stvara trenje konture j-na održanja količine kretanja identična energetskoj j-ni: (1) v srednja v u presjeku h dubina Z p kota dna I TR pad trenja 36 18
Elementi bočnog preliva -sabirni kanal savladava trenje i mora osigurati i E za pokretanje bočnog q (bočni doticaj (q) stiže sa preliva) -dio E se gubi u snažnoj turbulenciji usljed q vode u kanal (nije moguće unaprijed procijeniti navedeni utrošak E) (ne možemo primijeniti zakon o održanju E kao i kod hidrauličkog skoka) 37 Elementi bočnog preliva -moramo primijeniti zakon o održanju količine kretanja -količina kretanja koju voda, dospjela preko BP, dobija u sabirnom kanalu (na elementarnoj L kanala i u jedinici dt) iznosi: (2) 38 19
Kada izraz (2) uvrstimo u j-nu (1) (za kanal sa bočnim doticajem q) dobijamo j-nu održanja količine kretanja -Nagib trenja obično znatno manji od inercijalnog člana (Vq / ga) (inercijalni član doprinosi uključivanju bočnog doticaja) -Kod sabirnog kanala možemo zanemariti član trenja (uprošćenje j-ne održanja količine kretanja) 39 -Sabirni kanal vlada miran režim tečenja kontrolni presjek na nizvodnom kraju -Kontrolni presjek je kritična dubina na granici prelazne dionice i brzotoka odatle i počinje proračun linije nivoa -Linija nivoa duž prelazne dionice računa se pomoću energetske j-ne bez usputnog doticaja i bez zanemarivanja otpora usljed trenja 40 20
Pri projektovanju sabirnog kanala za bočni preliv treba voditi računa o slijedećem: 1) Uspostaviti miran režim tečenja cijelom L sabirnog kanala -inače usljed sudara dva međusobno upravna burna toka (nastaju kosi strmi talasi prostiru se preko brzotoka i umirujućeg bazena) -hidraulički miran režim nije teško postići (obzirom na umirujuće dejstvo inercijalnog člana bočnog doticaja qv / ga 2) Što više umiriti turbulenciju koju izaziva bočni doticaj -kada se sunovrati u sabirni kanal vodu upustiti u brzotok sa što manje poremećaja ako je u svakom presjeku: A površina PP toka u sabirnom kanalu h i h p - dubine Nepotopljeno prelivanje u sabirnom kanalu 41 Umirenje turbulencije (vrtloga) bolje -korititi PP sabirnog kanala sa većom h u odnosu na širinu (h / b veće) postižemo potpunije miješanje bočnog doticaja sa poduž. tokom u kanalu -većim odnosom h / b znatno manji obim zemljanih radova Uticaj dubine kanala na smirivanje turbulencije 42 21
3) Osigurati slobodno (nepotopljeno) prelivanje duž prelivne ivice pri rač. proticaju -u sabirnom kanalu imamo veliku turbulenciju odnos dubina iza i ispred praga pri slobodnom prelivanju treba biti: Nepotopljeno prelivanje u sabirnom kanalu 43 4) Moguća pojava uzgona na korito -pojava u određenim uslovima (KGV na KKP i kanal prazan) primijeniti mjere kojima spriječavamo isplivavanje kanala a) drenaža (drenažni filter i sistem drenažnih cijevi sa ispustom) b) zastorom produžiti put provirnoj vodi c) koristiti ankere i vezno injektiranje po potrebi 44 22
5) Vibracije -nastaju usljed pulzacionih dinamičkih opterećenja dodatno ugrožavaju stabilnost HG (naročito ako je sabirni kanal fundiran na slabo nosivom tlu) -ankerovanje efikasna mjera protiv vibracija -dimenzije i položaj sabirnog kanala f-ja topografije i geologije na terenu -površina PP kanala f-ja optimizacije (za prvu procjenu pretpostaviti da je v vode u nizvod. presjeku 5-6 m/s) -prema ak. Hajdinu prelivna kosina trapeznog presjeka nagib 2:3 neprelivna u nagibu 1:3 45 Obično razmatramo nekoliko varijanti sabirnog kanala variramo L kanala ; odnos h / b ; nagib kosina ; I dna kanala i sl. izaberemo najpovoljnije rješenje Kanal usjecamo u padinu doline -omogućiti neometani doticaj vode ka prelivu -omogućiti prihvatljivo mali uzgon -omogućiti što manje zemljanih radova 46 23
Nekada umjesto brzotoka koristiti tunelski provodnik sa kosim šahtom nije baš najbolje rješenje izrada kosog šahta teška i skuplja (u poređenju sa vertikalnim šahtom) Bočni preliv sa tunelskim provodnikom 47 ŠAHTNI PRELIV ŠP EO sa lijevkastim prelivom koji se nastavlja provodnicom provodnica u vidu vertikalnog šahta i tunela blagog podužnog pada završetak umirujućim bazenom ili ski odskokom ŠP kao alternativa BP sa brzotokom ili ČP Lijevkasti oblik preliva dugačka prelivna ivica hidraulički dobar prelaz ka vertikalnom šahtu konstruktivno dobar prelaz kao vertik. šahtu 48 24
Šahtni preliv 49 -Ulazni (zahvatni) dio ŠP: 1. Prelivni lijevak kružni lijevkasti preliv oblikovan kao i Krigerov -Zahvaćena voda se upušta u provodnik koji se sastoji od: 2. Vertikalni šaht 3. Deflektor (skretač mlaza) na kraju vertikalnog šahta kontrolisano odvaja mlaz od zida šahta (omogućava tečenje sa slobodnom povr.) nizvodno od deflektora 50 25
4. Aerator dovođenje vazduha i spriječavanje vakuuma 5. Tunel tečenje sa slobodnom površinom tunelom vodu odvodimo u Izlazni dio -Izlazni dio 7. Umirujući bazen ili ski odskok predavanje vode nizvodnom riječnom koritu 51 Tokom građenja tunel ŠP Pred završetak građenja služi kao optočni tunel za skretanje rijeke počinje punjenje akumulacije tunel pregrađujemo sa uzvodne strane (pregrađivanje grednim zatvaračima) zatim ugrađujemo čep (trajno zatvara tunel) ( čep predstavlja konturu vertikalne krivine) prelivni lijevak i šaht su već spremni za korištenje 52 26
Kriva proticaja i kontrolni presjeci kod šahtnog preliva -Šahtni preliv teorijski moguća tri kontrolna presjeka (određuju vezu proticaja Q i NV u akumulaciji Z=Z GV ) I Prelivna ivica lijevkastog preliva slobodno prelivanje kao pravolinijski preliv Kriger-Oficerov 53 Kriva proticaja i kontrolni presjeci kod šahtnog preliva II Presjek deflektora -mlaz se sužava i odvaja od konture -uspostavlja se granica između tečenja pod p (vlada iznad deflektora u vertikalnom šahtu) i tečenja sa slobodnom površinom (duž koljena tunela) 54 27
Kriva proticaja i kontrolni presjeci kod šahtnog preliva III Izlazni presjek tunela -ako se zapuši ili izostavi aerator ispod deflektora (u cijelom tunelu nastaje tečenje pod p) izlazni presjek tunela postaje kontrolni presjek 55 Hidrauličko dimenzioniranje ŠP -usklađivanje kapaciteta (propusne moći) kontrolnog presjeka: 1) kapaciteta lijevkastog preliva (prelivni lijevak) 2) kapaciteta suženja deflektora u šahtu Bitno: -pod kapacitetom podrazumijevamo Q koji se ostvari na kontroln. presjeku pri mjerodavnom nivou (koti) u ovom slučaju pri max. nivou u akumulaciji (Z MU ) 56 28
Kriva proticaja i kontrolni presjeci kod šahtnog preliva Slika kriva proticaja: -kapacitet preliva Q I i kapacitet šahta Q II (u presjeku deflektora) da budu ~ jednaki pri koti max. uspora (Z MU ) (odnosno pri max. (računskom) Q EO Q R = Q MAX 57 Kriva proticaja i kontrolni presjeci kod šahtnog preliva -Q prelivanja raste sa NV u akumulaciji: -Q isticanja u presjeku deflektora raste znatno brže: 58 29
ŠAHTNI PRELIV 59 PRELIVNI LIJEVAK I PRILAZNA DIONICA Prelivna ivica vanjski obod prelivnog lijevka kapacitet preliva srazmjeran prečniku lijevka D (L P = πd) veći D omogućava nižu kotu max uspora u akumulaciji time niža i jeftinija brana povećanje D lijevka veća cijena koštanja preliva prečnici lijevka obično D = 40 50 m 60 30
Prelivni lijevak sa prilaznom dionicom a) Presjek b) Osnova Zakrivljenost prelivne ivice odnos debljine mlaza (H R ) pri rač. Q i prečnika preliva D Povećanjem zakrivljenosti raste i odstupanje kružnog mlaza od mlaza pravolin. preliva Odstupanja kružnog mlaza od mlaza pravolinijskog preliva 61 Prelivni lijevak sa prilaznom dionicom a) Presjek b) Osnova Ne preporučuje se odnos H R / D > 0,25 počinje potapanje preliva dodatno smanjuje koef. prelivanja dobijamo veća d prelivnog mlaza dobijamo veću kotu u akumulaciji Kružni preliv pri Q < od računskog moguća pojava podpritiska u mlazu smanjenje d mlaza smanjuje i zakrivljenost (strujnice manje zbijene i manje potiskuju mlaz nego kod Q rač ) 62 31
Prelivni lijevak sa prilaznom dionicom a) Presjek b) Osnova Proticaj preko preliva uobičajna j-na prelivanja: L P = πd - dužina prelivne ivice mjereno po vanjskom obodu lijevka C p koeficijent prelivanja C p raste ako opada vrijednost odnosa H R / D (opada zakrivljenost prelivne ivice) 63 Neizvođenje prilazne dionice nastaje vrtlog po obodu preliva troši E na kružno kretanje (umjesto na radijalno strujanje ka šahtu) smanjenje kapaciteta preliva i time veći NV u akumulaciji Pored prilazne dionice često se izvode i stubovi usmjerivači na prelivu obično dovoljno 4 8 stubova Nekad se vrtlog presjeca razdjelnim zidom Mjere za spriječavanje obodnog strujanja povezuje preliv sa padinom doline 64 32
Mjere za spriječavanje obodnog strujanja Postoji više uputstava za oblikovanje prilazne dionice Obično visina usjecanja P=2H R usjecanje dublje od 2H R nije hidraulički dobro znatno i poskupljuje konstrukciju lijevka osjetljiva na seizmičke uticaje Oblik prilazne dionice najčešće parabola Dimenzije prilazne dionice a) Presjek b) Parabola c) Krug 65 Dimenzije prilazne dionice a) Presjek b) Parabola c) Krug R = 2D kružna krivina poluprečnika R Bez obzira koliko dobro je oblikovana prilazna dionica uvijek postoji određena nesimetričnost strujanja i efikasnost prelivanja (koeficijent prelivanja manji nego za idealan slučaj) Veličine koeficijenta prelivanja date u tabeli slučaj neometanog prelivanja (slajd 63) prema dosadašnjem iskustvu te vrijednosti umanjiti za 3 5% 66 33
VERTIKALNI ŠAHT, DEFLEKTOR I AERACIJA Kapacitet šahta određivanje preko kontrolnog presjeka isticanja (na mjestu suženja sa deflektorom) Pogodno da kapacitet šahta > kapaciteta preliva da postoji rezerva u slučaju nailaska Q > od računskog (primjer kada smo potcijenili poplavni talas) 67 Presjek deflektora i vertikalno koljeno (krivina) Q u presjeku deflektora (tj. kriva protoka na deflektoru) odrediti preko j-ne isticanja sa eksperimentalno procjenjenim koef. proticaja E j-na dionice između presjeka ispred preliva i presjeka deflektora: p II nije atmosferski po cijelom obodu mlaza (zbog vertikalne krivine ispod deflektora koja pritiska mlaz) 68 34
Presjek deflektora i vertikalno koljeno (krivina) p u mlazu raste sa zakrivljenošću d o / R Raspored p u presjeku deflektora nije hidrostatički strogo uzevši nije ispunjen uslov za primjenu E j-ne između dva presjeka (ak. Hajdin Georgije, 2002) 69 Presjek deflektora i vertikalno koljeno (krivina) Ako izgubljenu E obračunamo koristeći brzinsku visinu u presjeku deflektora (brzinska visina: ) možemo napisati slijedeće: Uvođenjem koeficijenta pritiska dobijamo brzinu v II : 70 35
Presjek deflektora i vertikalno koljeno (krivina) Proticaj isticanja na deflektoru: Koeficijent proticaja C Q određujemo pomoću eksperimen. zavisnosti (Hajdin, 1979) 71 Presjek deflektora i vertikalno koljeno (krivina) Zakrivljenost vertikalne krivine R / d o da bude najmanje 2,5 ne preporučuje se da R < 2d o (nestabilno tečenje pri skretanju mlaza u krivini) Preveliki R smanjuje pad isticanja na deflektoru (deflektor se pomjera naviše) zakrivljenost R / d o rijetko > od 3,5 (3,5 R / d o 2,5) 72 36
Presjek deflektora i vertikalno koljeno (krivina) Položaj, oblik i veličina deflektora: -osigurati da se mlaz kontrolisano odvoji od zida na odabranom mjestu -odvajanje mlaza bez periodičnog pomjeranja i vibracija -najpogodnije mjesto je početak vertikalne krivine u praksi imaju i drugačija rješenja (suženje i aerator na nizvodnom kraju krivine) 73 Presjek deflektora i vertikalno koljeno (krivina) Nizvodno od deflektora u krivini i u tunelu Aeracija deflektora omogućiti tečenje sa slobodnom površinom (treba kroz aeracionu cijev nadoknaditi vazduh koji zahvata i odvodi turbulencija) proticaj vazduha (Q A ) potreban da osigura tečenje sa slobodnom površinom: K A koeficijent odvazdušenja (f-ja intenziteta turbulencije mlaza) 74 37
Presjek deflektora i vertikalno koljeno (krivina) Aeracija deflektora Određivanje prečnika aeracione cijevi (d A ) procijeniti v vazduha u cijevi dopušta se v vazduha do 50 m/s (izbjegavati veće v neprijatni zvuk i opasnost od vibracija) Za usvojeni prečnik cijevi (d A ) provjeriti vrijednost p na izlazu iz cijevi (presjek A-A ispod deflektora) 75 Presjek deflektora i vertikalno koljeno (krivina) Aeracija deflektora p vazduha u presjeku A-A procijeniti preko E j-ne za nestišljiv fluid (između presjeka 1-1 i A-A) L A dužina aeracione cijevi ξ lokalni gubitak γ A zapreminska težina vazduha = gρ A (ρ A ~ 1,2 kg/m 3 ) za p A /γ < 0,5-1,0 mvs treba d A povećati 76 38
Dimenzioniranje prečnika šahta iznad deflektora: Dimenzioniranje vertikalnog šahta iznad deflektora Oblik i dimenzije šahta iznad deflektora (kriva b-b) -omogućiti tečenje bez vakuuma izaziva kavitaciju -omogućiti tečenje bez lokalnih gubitaka E zahtjeva postepeno širenje šahta od deflektora ka prelivnom lijevku const. presjek šahta p opadao idući naviše E j-na između 1 i 2 77 Dimenzioniranje vertikalnog šahta iznad deflektora (A) Ako je d 1 =d 2 v 1 =v 2 uz zanemarivanje gubitaka E (zbog male dionice): Na osnovu prethodnog izraza imamo: -za dovoljno veliku denivelaciju ( Z) p u presjeku II blizu 0 p 1 postaje negativan (nastaje vakuum u presjeku 1 ) i p 2 je mali, jer je: 78 presjek 2 blizu presjeka isticanja II 39
Dimenzioniranje vertikalnog šahta iznad deflektora Nije dobro previše širiti šaht nepotrebno povećanje konstrukcije (dovodi i do povećanja uzgona na preliv) Optimalna kontura šahta bez podpritisaka -iz uslova da po cijeloj konturi šahta iz j-ne (A) p = 0 Najniži dio šahta od donje ivice deflektora ( II ) do kraja kosine deflektora ( 2 ) (uvijek cilindričan iz konstruktivnih razloga) to znači d 2 = d II 79 Dimenzioniranje vertikalnog šahta iznad deflektora Površina (prečnik) u presjeku 1 ili na drugom višem nivou (duž linije b-b): Brzina v 1 dobija se iz E j-ne (A): Postavljamo prelaznicu c-c da osiguramo kontinualan i gladak prelaz (između konture šahta (b-b)) (i konture prelivnog lijevka (a-a)) 80 40
VERTIKALNA KRIVINA I TUNEL Tečenje u koljenu i tunelu preliva -voda nakon izlaska iz deflektora prolazi kroz koljeno (vertikalna krivina) voda ulazi u ~ horizontalan tunel (tečenje sa slobodnom površinom do izlaska iz tunela III presjek) 81 Tečenje u koljenu i tunelu preliva -treba duž cijelog tunela zaključno sa presjekom III imati dovoljno veliku površinu proticajnog presjeka (za mješavinu vode i zraka) to je uslov da imamo tečenje sa slobodnom površinom u tunelu 82 41
Tečenje u koljenu i tunelu preliva -iskustvo sa postojećih objekata na izlaznom presjeku (imamo najveću h) imamo i blag podužni I tunela pri Q rač moramo ostaviti 20-25% praznog prostora (u odnosu na prostor ispunjen vodom) odnosno ispunjenost vodom prostora III najviše 75-80% 83 Proračun linije nivoa u tunelu Tečenje u koljenu i tunelu preliva -prvo računamo granični uslov dubina h C (presjek suženja) suženi presjek C možemo povezati sa presjekom deflektora (II presjek) (povezati ih E j-nom) uz proračun gubitaka na krivini iteracijom dobijamo traženu h C (teškoća je procjena gubitaka na krivini) (nejasno sa kojim p treba računati u presjeku deflektora) 84 42
-jednostavan način (i pouzdan) ukupne gubitke E od presjeka I (NGV) do presjeka suženja u C (objediniti u koeficijent brzine C v na osnovu E j-ne (iteracijama) dobiti v: C v = 0,85 0,90 85 Hidraulička šema uz E j-nu za tečenje sa slobodnom površinom u tunelu -linija NV u tunelu proračun primjenom E j-ne i j-ne održanja mase (na tečenje sa slobodnom površinom) na dionici između dva presjeka u cijevi 86 43
Hidraulička šema uz E j-nu za tečenje sa slobodnom površinom u tunelu * Prethodne j-ne se iterativno rješavaju: -prva iteracija (prva pretpostavka) A 2 =A 1 ; R 2 =R 1 ; h 2 =h1 sa tim vrijednostima rješavamo j-nu za brzinu v 2 87 Postupak dimenzioniranja šahta i tunela Dimenzioniranje šahta i tunela slijedeći postupci: 1) Prvo procijeniti D tunela brzina se aproksimira sa: H III ukupni (bruto) pad od kote GV do ose tunela u presjeku III 88 44
2) Za ovako procijenjen D tunela računati R vertikalne krivine (R = (2,5 3,5)d) odatle odredimo kotu presjeka deflektora (Z II ) za prvu iteraciju 89 3) Sa usvojenom kotom deflektora (Z II ) računati neto površ. deflektora (A DEF ) 4) Kada nakon više iteracija dobijemo iste vrijednosti za D šahta i tunela (d o ) -provjeriti pretpostavku o zapunjenosti izlaznog presjeka (da li je na izlazu osigurano 20-25% površine presjeka za dovod vazduha) -izračunati liniju NV u tunelu između presjeka deflektora i izlaznog presjeka (za ispunjenost izlaznog presjeka > dop. 80% D tunela povećati) 90 45
5) Na kraju dimenzioniramo šaht koristeći slijedeće j-ne: 91 Tečenje u koljenu i tunelu preliva Obloga tunela glatka neophodan uslov bez neravnina i pukotina Ako predmetni tunel preliva tokom građenja koristimo kao optočni tunel predvidjeti mogućnost da obloga bude oštećena pronosom nanosa i leda (obavezno utvrditi stanje obloge i uraditi potrebne popravke) Za v u tunelu > 30 35 m/s osigurati odgovarajuću aeraciju (kao brzotok) aeracija pri dnu i u zidovima otklanjanje opasnosti od kavitacione erozije 92 46
Tečenje u koljenu i tunelu preliva Nagib dna tunela ne utiče bitno na rad šahtnog preliva nagib usvajamo prema uslovima rada optočnog tunela (mirno tečenje) (uobičajni nagib dna tunela 0,1 1% gravitaciono tečenje vode) Trasa tunela u osnovi pravolinijska (izbjegavanje kosih strmih talasa u krivini) Debljina obloge tunela (e) f-ja stijenske mase i D tunela (d 0 ) orijentaciona vrijednost (preliminarne faze projekta) e ~ 0,1d 0 93 Prelaz sa kružnog na kvadratni presjek na izlazu tunela -kraj tunela voda iz kružnog presjeka uvodi se u pravougaono korito (prije ulaska vode u umirujući bazen) -ovaj prelaz uglavnom postepen zbog silovitosti toka prelaz se ostvaruje u okviru prelazne donice (obično sa horiz. dnom L p = 2 2,5d 0 ) -mala širina izlaznog presjeka (b=d 0 ) (prije upuštanja u umirujući bazen) treba raširiti mlaz 94 47
Umirujući bazen šahtnog preliva U umirujućem bazenu mlaz se može širiti (bazen prizmatičan ili kao na slici) širenje bazena veća stabilnost skoka (stepen širenja korita mora biti ograničen) da se ne jave poremećaji toka i da se mlaz proširi 95 Umirujući bazen šahtnog preliva Vertikalna prelaznica ne smije biti kraća od dometa mlaza da ne bi došlo do vakuuma (sa uslovima za pojavu kavitacije) 96 48
Domet mlaza aproksimira se parabolom horizontalnog hica Dužina vertikalne prelaznice prema uslovu bezvakuumskog tečenja: Konačna L vertikalne prelaznice L 1 usvojiti veću vrijednost između L 1B i L 1P 97 Dimenzije umirujućeg bazena dobiti ekonomskim vrednovanjem (i poređenjem različitih B i kota dna) gruba orijentaciona vrijednost B 2 = 1,8 Q 98 49