Završni rad - Ruđer Bošković Institute · Geometrija bazena, slapišta i meandra varira u...

Završni rad Hidraulički parametri bazen-slapišnih sekvenci

Završni rad

Hidraulički parametri bazen-slapišnih sekvenci

Akademska godina 2014./2015.

Mentor:

doc.dr. sc. Duška Kunštek

Frane Burazer Iličić

0082047074

http://www.grad.unizg.hr/duska.kunstek


1

Sadržaj 1)Uvod ........................................................................................................................................ 1

2)Tema i cilj istraživanja ............................................................................................................ 5

3)Stanje znanja u području istraživanja ..................................................................................... 6

3.1. Kalibriranje modela ......................................................................................................... 6

3.3. Promjene brzina ............................................................................................................... 6

3.4. Posmična naprezanja ....................................................................................................... 7

3.5. Tečenje u otvorenim koritima ......................................................................................... 8

4)Modeli pri računalnim simulacijama .................................................................................... 14

4.1. Jednodimenzionalni modeli ........................................................................................... 14

4.2. Dvodimenzionalni modeli ............................................................................................. 14

4.3. Trodimenzionalni modeli .............................................................................................. 15

4.4. Usrednjena brzina po dubini ......................................................................................... 16

5)Prikaz hidrauličkih parametara bazen-slapišne sekvence ..................................................... 17

5.1. Greben od trupaca ......................................................................................................... 17

5.2. Greben od kamenih blokova ......................................................................................... 18

5.2.1. Nagibi grebena ....................................................................................................... 18

5.2.2. Dimenzioniranje grebena na slapištu ..................................................................... 19

5.2.3. Visina grebena ........................................................................................................ 19

5.2.4. Pozicioniranje i razmaci bazen-slapišta ................................................................. 20

5.2.5. Pronos nanosa ......................................................................................................... 22

5.2.6. Stabilnost kamenih blokova ................................................................................... 26

6) Primjer proračun bazen-slapišne sekvence .......................................................................... 28

6.1. Dimenzioniranje grebena na slapištu ............................................................................ 28

6.2. Visina grebena (RH) ....................................................................................................... 28

6.3. Pozicioniranje i razmaci bazen-slapišta ........................................................................ 29

6.4. Pronos nanosa ................................................................................................................ 30

6.5. Stabilnost kamenih blokova .......................................................................................... 31

7)Zaključak ............................................................................................................................... 33

8)Literatura ............................................................................................................................... 35


1

1)Uvod

Bazen-slapišne sekvence su restauracijske mjere kojima se vodotok vraća u

prirodno stanje. S obzirom na to da se tim postupcima pokušava vodotok vratiti u

prirodno stanje, naglasak se stavlja na korištenje prirodnih materijala.

Vodotok predstavlja dinamičan i kompleksan sustav kojeg čine korito, obale te

poplavno područje sa pripadajućom vegetacijom. Pronosom nanosa, u sustavu vodotoka,

održava se stanje dinamičke ravnoteže.

Uslijed promjena dolazi do narušavanja stabilnosti i uspostavljanja nove

ravnoteže. Promjene u slivu i poplavnom području utječu na veličinu, oblik i konačnu

funkciju vodotoka. Restauracija prvobitne ekologije vodotoka i obnova staništa

životinjskih i biljnih vrsta primaran je cilj primjene bazen-slapišta. [7]

Zbog promjenjivih uvjeta u vodotocima, konačan izgled bazen-slapišta od

prirodnog kamenog materijala se dobije tijekom vremena jer vodotok djeluje na njih i

tokom vremena ih mijenja. Iz tog razloga potrebno ih je održavati i popravljati.

U otvorenim vodotocima, profil podijeljen na bazene i slapišta pruža raznolikost

hidrauličkih uvjeta koji se mijenjaju uzduž vodotoka. Kod srednjih i niskih razina, voda

se zadržava u bazenima koji su smješteni uglavnom nizvodno od slapišta. Takav raspored

omogućava dublja i svježija riblja staništa u bazenskim dijelovima. Mali protoci preko

kamenih blokova stvaraju lokalne turbulencije uključujući hidrauličke skokove te

aeriranje. Kod malih protoka na slapištu, voda se usmjerava na uski prolaz preko i oko

kamenih blokova. Za vrijeme srednjih potoka, pijesak i šljunak se talože u bazenskim

segmentima uzvodno od slapišta. Pod uvjetima velikih protoka bazeni se nalaze pod

opasnošću od ispiranja, dok slapišta osiguravaju zaštićene dijelove u mrtvim zonama iza

kamenih blokova. [1]

Slapišta su djelovi u vodotoku koji za vrijeme protoka manjih od maksimalnih

imaju najmanju dubinu te najveći nagib. S druge strane bazeni se najdublji djelovi

vodotoka. Nagib vode u bazenima, za vrijeme protoka manjih od maksimalnih, gotovo je

jednak nuli. Bazeni se najčešće nalaze s vanjske strane zavoja meandra. [6]

Bazeni i slapišta ne nastaju u nasumičnom redoslijedu unutar vodotoka. U

prirodnim vodotocima bazeni i slapišta se javljaju u pravilnom nizu (sekvencama) i to na


2

način da se stvaraju slapišta uzdizanjem grebena u vodotoku, te nizvodno od njih bazeni.

Iza bazena nastaje nizvodno slapište te se time formira bazen-slapišna sekvenca koja se

ponavlja u pravilnom rasporedu.

Slika 1::1 Vodotok prije uređenja brzac-bazenske sekvence [4]

U vodotoku sa promjenjivim dnom korita, vidljive su konture vodnog vala nakon

što poplava prođe; bazeni u dolinama vala, slapišta na brijegovima vala, te meandri koji

se pružaju u smijeru bočnog rasprostiranja vala. Geometrija bazena, slapišta i meandra

varira u velikim rasponima, u ovisnosti o materijalima te ljudskim intervencijama u

koritu. U prirodnim (neporemećenim) tokovima, prosječna dužina meandra je u

granicama od 8 do 12 širina kanala. Val se sastoji od dvaju bazena i dvaju slapišta, a


3

njihova udaljenost varira od 4 do 6 širina kanala. [1]

Slika 1::2 Skica presjeka i tlocrta bazen-slapišnih sekvenci [1]

Mehanizmi pod kojima bazeni i slapišta nastaju i održavaju se osnivni su aspekti

oblikovanja i procesa u vodotoku. Najupotrebljavaniji pristup proučavanju održavanja

bazen-slapišta je baziran na analizi hidrauličkih parametara. Kellerova teorija o promjeni

brzina u sekvencama dobila je veliku pozornost. Proučavanje bazen-slapišnih sekvenci je

fokus geomorfologije zadnjih 30 godina i dosta je napretka napravljeno što se tiće

formacije, održavanja i obrazaca pronosa nanosa. [2]

-

Slika 1::3 Vodotok za vrijeme izgradnje brzac-bazenske sekvence [4]


4

Kao i kod drugih inicijativa za poboljšanje, obnavljanje brzac-slapišnih sekvenci je

sastavljeno od pet osnovnih faza:

1. procjena sliva i vodotoka,

2. dizajniranje i hidraulička analiza;

3. izgradnja;

4. nadzor i održavanje; i

5. vrednovanje projekta. [5]

Slika 1::4 Proces obnavljanja bazen-slapišta [5]

Svaka faza je definirana cjelokupnim projektnim ciljevima i zahtjeva integriranje

odgovarajućih geomorfoloških, hidroloških, hidrauličkih i ekoloških podataka te

procjenu. [3]


5

2)Tema i cilj istraživanja

Tema su hidraulički procesi koji se zbivaju unutar vodotoka u bazen-slapišnim

sekvencama. Unutar sekvenci se zbivaju pojave poput promjene razine vode, promjene

brzine te pronos nanosa kroz sekvence. Cilj je prikazati hidrauličke parametre koje je

potrebno izanaći i proračunati kako bi se osiguralo zadovoljavajuće djelovanje bazen-

slapišnih sekvenci na vodotok, ali i na okolno područje, koje uključuje i potencijalna

životinjska staništa, ali i ljudska naselja.[1] Ujedno cilj rada je i prikazati metodologiju

proračuna hidrauličkih parametara bazen-slapišnih sekvenci, na osnovu pregleda

dostupne literature i stanja znanja područja.


6

3)Stanje znanja u području istraživanja

3.1. Kalibriranje modela

Kalibracija računalnih simulacija pomoću terenskih ispitivanja je važan korak pri

procesu modeliranja. Kalibracija se radi pomoću terenskih mjerenja dubine, brzine i

podizanja vodnog lica za dva protoka. Poklapanje vodene površine za različite protoke

izrazito poboljšava naknadna predviđanja modela jer omogućava finiju podjelu računalne

mreže. Sporazumni dogovor postoji između izmjerene i predviđene dubine. [2]

Slika 3.1.::1 Laboratorijski model bazen-slapišne sekvence [3]

3.2. Promjene brzina

Zbog usporedbe varijacija posmičnih naprezanja i brzine sa vodostajem, modeliranje se

izvršava za tri slučaja: mali protoci, maksimalni, te predviđena petogodišnja poplava.

Kod malih protoka, koncentracija velikih brzina postoji kod vrha bazena, ali veće brzine

se nalaze na slapištu. Područje na suženju u kojem je brzina jednaka nuli predstavlja

hrapavo kamenje koje izviruje iznad slobodne površine za vrijeme niskih ili srednjih


7

protoka. Slično tomu, područja na slapištu sa brzinama jednakim nuli odgovaraju

kamenim blokovima koje se protežu iznad razine toka. Oba područja se tretiraju kao suhe

točke u modelima.

Tijekom približno maksimalnih protoka , najveća brzina nalazi se na početku bazena

zbog suženja, dok je maksimalna brzina preko slapišta nešto manja. Konvergentni tok

nastao zbog suženja je koncentriran kroz bazen, stvarajući maksimalnu brzinu na ulazu u

bazen. Snažna konvergencija toka može se primjetiti na izlazu iz bazena. Tok koji dolazi

na slapište pokazuje divergentnu konturu brzine ali jako varirajuće vektore brzine kao

odgovor na hrapavu, nepravilnu lokalnu topografiju.

Stijenska prepreka uzrokuje efekt zaostajanja vode iza nje, stvarajući strmi profil

vodene površine i uzdužni tlačni gradijent po kanalskoj simetrali. Poprečni gradijent

pritiska, uzrokovan nakupljanjem vode iza stijene i nastajanjem vrtložnih zona u

zavjetrini stijene koncentrira tok kroz središte bazena. Na taj je način središte brzina

usmjereno topografijom kanala. Ovakvi proračunski modeli su dosljedni sa ispitivanjima

te sa terenskim opažanjima dinamike toka.

Simulacije za vrijednost protoka približno jednakog petogodišnjoj poplavi, pokazuju

da maksimalne brzine na ulazu u bazen i na brzacu teže izjednačiti vrijednosti. Prostorni

trendovi u vektorima brzina su slični događaju velikih voda. Konture brzina, ipak,

pokazuju jednoliku distribuciju brzina između bazena i slapišta, reflektirajući smanjenu

sposobnost stijene da konvergira tok u jedan mlaz velike brzine kroz središte bazena. [2]

3.3. Posmična naprezanja

Vrijednosti posmičnih naprezanja općenito pokazuju isti trend kao i pretpostavljene

modelirane brzine. Kod manjih protoka, posmična naprezanja su veća na nizvodnom

slapištu nego na bazenu zbog blagog nagiba vodnog lica. Kod približno maksimalnih

protoka, maksimum posmičnog naprezanja je koncentriran na ulazu bazena. Kod

petogodišnje poplave, predviđena posmična sila kroz bazen je manja nego vrijednosti

predviđene za maksimalne simulacije, odražavajući nedostatak konvergencije

uzrokovane kamenim blokovima.

Kroz sve analize modela, veliki stupanj prostorne raznolikosti nađen je u podacima za

brzinu i posmične sile zbog kompleksnosti topografije. Kao dopuna, pojedini kameni

blokovi preko slapišta stvaraju lokalne skokove posmičnih naprezanja i brzine koji mogu

biti artefakt modeliranja. Procjene posmičnih naprezanja, bazirane na dubinski


8

usrednjenim brzinama, teže pružiti precjenjena posmična naprezanja relativna sa

trodimenzionalnim procjenama. Prema tome, procjenjena posmična naprezanja gledamo

kao reprezentaciju prostorne raspodjele, dok veličina može biti predimenzionirana. [2]

3.4. Tečenje u otvorenim koritima

Tečenje u otvorenim vodotocima je tečenje sa slobodnim vodnim licem, koje nastaje

pod utjecajem nagiba terena i sile teže. Kod tečenja u otvorenim vodotocima razlikujemo

dva načina tečenja:

- Jednoliko tečenje

- Nejednoliko tečenje

Prilikom jednolikog tečenja, hidrauličke karakteristike toka jednake su po cijeloj

njegovoj dužini (presjek, nagib te koeficijent otpora). Protok(Q) i srednja brzina također

su konstantni, dok pad energetske linije odgovara padu dna korita.

U slučaju nejednolikog tečenja, hidrauličke karakteristike toka se mijenjaju po

njegovoj dužini. Vodno lice se stalno mijenja, a energetska linija stalno pada. Na

određenim mjestima, može se dogoditi i da se dubina povećava. Kod nejednolikog

tečenja mogu se pojaviti dvije situacije:

-tečenje sa usporom kod kojeg se u vodotoku javlja prepreka te ona uvjetuje

zaustavljanje vode iza nje

Slika 3.4::1 Tečenje sa usporom


9

-tečenje sa depresijom koja nastaje zbog povećanja pada dna

Slika 3.4::2 Tečenje sa depresijom

Pri proračunu nejednolikog tečenja, tok dijelimo na dijelo, toliko male da na njima

vrijedi Chezy-eva pretpostavka o pravilnosti korita. Vodno lice pronalazimo kretanjem

od odsječka sa poznatim vodostajem i protokom te iterativno koristimo Bernoulli-jeve

jednadžbe.

Slika 3.4::3 Podjela toka na segmente

Specifična energija presjeka

Specifična energija presjeka je energija jedinične mase fluida s obzirom na ravninu

dna korita:

Hs=h+δv2

2g= h+δ

Q2

2gA2

Gdje je:

Hs[m]- specifična energija presjeka

h[m]- dubina vode u koritu

δ – Corriolissov koeficijent za otvorene vodotoke (između 1.0 i 1.1)

v(m/s)- brzina vode u koritu

g(m/s2)- ubrzanje sile teže


10

Q[m3/s]- protok u presjeku

A[m2]- površina presjeka

Specifična energija se računa za različite dubine toka h, uz konstantan protok Q.

Slika 3.4::4 Prikaz promjene specifične energije (H) u ovisnosti o dubini vodotoka (h)

Dubina pri kojoj je specifična energija minimalna, naziva se kritična dubina hc. Kod

dubina većih od kritične, dominira potencijalna energija, te se takav tok naziva mirni tok.

Dok kod dubina manjih od kritične dominira kinetička energija, te se takav tok naziva

burni tok. Za vrijeme dubina jednakih kritičnoj, tok se naziva kritični.

Deriviranjem gore navedene jednadžbe po h dobijamo:

dHs

dh= 1-

δQ2

g

dA

A3dh

Gdje je:

dA= bdh => dA

dh= b

iz toga slijedi da je specifična energija presjeka:

dHs

dh= 1-

δQ2

gA3b=1-Πk

Bezdimenzionalna veličina Πk=δQ2

gA3b naziva se parametar kinetičnosti toka.

Ako je specifična energija minimalna, njena derivacija isčezava. Tada je

Πk=1, ako uzmemo da je δ=1, dobijemo vc

2

ghc=1.

Izraz Fr=v2

gh naziva se Froudeov broj. U ovisnosti o večini Froudeovog broja imam:

-mirni tok za Fr<1


11

-kritičan tok za Fr=1

-burni tok za Fr>1

Pad dna pri kojem je normalna dubina jednaka kritičnoj je kritični pad. Ako je pad

manji od kritičnog, onda je tok miran, a ako je veči, onda je buran. [8]

Slika 3.5::1 Prikaz odnosa brzina i dubina za različite Froudeove brojeve.

Najrašireniji pristup proučavanju održavanja bazen-slapišnih sekvenci je temeljen na

analizi hidrauličke slike date sekvence bazirane na opće poznatim zakonima i principima

tečenja u otvorenim koritima. Od razvijenih teorija, velika pozornost se stavlja na Keller-

ovoj hipotezi promjene brzine unutar sekvence. Hipoteza o promjeni brzine predlaže

postojanje hijerarhijske promjene veličine brzine kroz bazen-slapišne sekvence koja

utječe na održavanje morfologije dna. Za vrijeme malog protoka, znatno ispod

maksimalnog , brzina na slapištu poprima veću vrijednost od one u bazenu. Relativno

maleni materijal na dnu koji je odnešen sa slapišta se taloži u susjednom bazenu. Za

vrijeme velikih protoka ( ili gotovo maksimalnih), situacija je obrnuta, što čini brzinu u

bazenu većom od one na slapištu. Prema tome, javlja se ispiranje materijala u bazenima

za vrijeme velikih protoka i taloženje za vrijeme malih protoka. [2]

Mnoga istraživanja bazen-slapišnih sekvenci su testirala gore spomenutu hipotezu o

promjeni brzine u sekvenci, uključujući Lislea, O'Connora, Clifford i Richardsa, Keller i

Florsheima, Carling i Wooda, Seara, Thompsona, Bookera, Milana, Caoa, te

MacWilliamsa. Rezultati tih studija potvrđuju hipotezu o promjenjivosti brzine na

slapištu i bazenu unutar sekvenci ovisno o visini vodistaja, nadalje potvrđuju ujedno i

trend porasta i opadanja vrijednosti brzina prema gore spomenutom modelu, no ne nužno

i u istim vrijednostima. Praktično, brzina u bazenu za vrijeme velikih protoka ne mora

dostići vrijednost brzine na slapištu za vrijeme malih voda i obrnuto. [2]


12

Prema Newburyu, postoje četiri osnovna pitanja koja treba odgovoriti prije obnove

riječnog korita i uspostave bazen-slapišnih sekvenci:

- je li trenutno stanje vodotoka posljedica utjecaja čovjeka ili prirodnih procesa u

vodotoku,

- kakva je prirodna geometrija kanala koja može ostati postojana za vrijeme poplava,

- hoće li izgradnja bazena i slapišta poboljšati željena staništa

- kako dizajnirati slapišta i bazene koji oponašaju oblik i stabilnost koju bi imali oni

prirodni u vodotoku?

Dodatno, ali neposredno vezano pitanje je i „Mogu li konstrukcije biti očuvane u

uvjetima koji su razlog nestabilnosti kanala ili jednostavnije, jesu li faktori kao što su

uzvodna dubina vode i nagib vodnog lica uzeti u obzir?“. Pitanje se može odgovoriti

promatranjem vodotoka za koji se razmatra obnova, procjenom stanišnih uvjeta te

dizajniranjem bazena koji imaju jednaku stabilnost koju bi imao i okolni vodotok.

Promatranja ponašanja prirodnog kanala pružaju temelj za mapiranje i interpretaciju

oblika i procesa koji se javljaju u projektnom dijelu vodotoka. [1]

Slika 3.5::2 Tok na slapištu [1]

Thompson je predložio model za održavanje bazena-slapišta na krupnozrnatim

dnima koji se oslanja na konstrukcije kanala da stvore konvergenciju i velike brzine kroz

bazene. Prema ovom modelu, promjena brzine se događa zbog vrtložne zone i razvoja

mlaza velike brzine kroz središte bazena. Obrasci ispiranja i taloženja se kontroliraju

konvergentnim tokom na vrhu bazena i divergentnim tokom preko izlaza bazena i

nizvodnog slapišta. [2]

Mehanizmi koji kontroliraju morfologiju usiljenih bazen-slapišnih sekvenci nisu

poprimili dovoljno značaja, naročito kod prirodnih kanala. Poteškoće kod promatranja

ispiranja u bazenima, odnosno nedostatak mjerenja pronosa nanosa tijekom protoka


13

velikog volumena, a male učestalosti jedan je od glavnih razloga zbog kojeg nisu

provedene opsežne studije. Uvjeti kanala za vrijeme poplava čine terenska mjerenja

opasnima ili nemogućima. Stoga računalni hidraulički modeli pružaju odličnu priliku za

istraživanje veza između hidraulike kanala i procesa koji se smatraju važnima za

održavanje brzac-bazenskih sekvenci. [2]

Manjak prostorno raspodijeljenih hidrauličnih podataka pridonosi teškoći određivanja

mehanizma održanja bazen-slapišnih sekvenci. [2]


14

4)Modeli pri računalnim simulacijama

4.1. Jednodimenzionalni modeli

Najraširenija primjena modela u geomorfologiji su jednodimenzionalni sa

zadržavanjem vode. Ti modeli se također rašireno primjenjuju i u projektima na

restauraciji rijeka za procjenu hidrauličnih parametara. Jednodimenzionalni modeli, kao

HEC-RAS (U.S. Army Corps of Engineers, 2001.), su modeli stabilnog tla kojima se

računaju dubina vode i nagib rješavajući energijsku jednadžbu između presjeka.

Granični uvjeti uključuju geometriju poprečnog presjeka, podizanje razine vode te

Manningov koeficijent. Jednodimenzionalni modeli su sposobni podnijeti protok manji,

ali i veći od kritičnog i primjenjuju se u kamenitim dnima više nego u drugim tipovima.

Prednost ovih modela su predviđanja u širokom prostornom i vremenskom razmjeru.

Jednodimenzionalni modeli mogu rekonstruirati raspodjelu hidrauličkih varijabli kroz

poprečne presjeke, kao što su brzina, dubina, posmična naprezanja kroz razne uvjete

protoka. Takvi proračuni su korisni za identifikaciju minimalnih i maksimalnih

vrijednosti nagiba vodene površine i posmičnih naprezanja duž promatranog vodotoka.

Ovaj pristup je opće prihvaćen i uspješno je primjenjen. Usprkos tomu, ovi modeli se

trebaju uzimati s oprezom kod strmih, planinskih kanala jer oni prikazuju usrednjene

dubine i brzine po poprečnim presjecima, ali ne pokazuju prostorne trendove odvajanja

toka, cirkulacije vrtloga ili konvergencije te divergencije. [2]

4.2. Dvodimenzionalni modeli

Dvodimenzionalno modeliranje toka obično uključuje rješavanje integralnog oblika

jednadžbe očuvanja mase i količine gibanja po dubini. Ulazni podaci uključuju

topografske podatke, rubne uvjete za podizanje vodene površine, hrapavost dna, te

vrijednosti viskoznosti vrtloga za zatvaranje turbulencije. Rezultati modela uključuju

dubinu te nizvodne i poprečne vektore brzina u svakoj točki protočne mreže.

Dvodimenzionalni modeli se koriste kod usmjeravanja sedimenata, istraživanju

geomorfoloških procesa, te u dizajniranju projekata obnove rijeka. Model može

eksplicitno promatrati situacije sa velikim brojem gradijenata brzina i podjela toka.

Dvodimenzionalni modeli omogućuju predviđanje podizanja vodene površine, što je

bitno u tokovima u kojima dolazi do superponiranja razine vodene površine zbog

zakrivljenosti kanala ili nepravilnih granica.


15

Tok u strmim planinskim vodotocima je karakteriziran nepravilnostima vodene

površine koje nisu obuhvaćene jednodimenzionalnim modelima. U umjetnim bazenima

razdjeljivanje toka i recirkulacija vrtloga su ustanovljeni kao važne komponentne polja

strujanja. Modeliranje planinskog toka može zahtjevati simuliranje toka oko elemenata

velike hrapavosti kao što su šljunak i uzdignuti elementi dna. Dvodimenzionalni modeli

sposobni su simulirati tok oko šljunčanih zapreka , koje jako utječu na gradijent brzine i

stupanj konvergencije toka. Lokalni efekti toka prouzročenog hrapavim elementima ne bi

bili obuhvaćeni jednodimenzionalnim modelom. Očito je da bi se razumjela veza između

topografije i uzoraka toka u planinskim tokovima potrebno je primjeniti barem

dvodimenzionalni model. [2]

4.3. Trodimenzionalni modeli

Potrebni podaci za trodimenzionalni model su gotovo istovjetni dvodimenzionalnim

modelima. Međutim trodimenzionalni model ima tri posebne prednosti. Prva je

predviđanje sekundarnih tokova, kao što su spiralni tok oko zavoja meandra. Druga je

precizni tretman skokova koji se mijenjaju u vertikalnoj ravnini. Treća je odnos prema

nehidrostatskim efektima, što može biti važno u područjima strme topografije ili toka oko

zapreka, što je često kod šljunčanog tla.

Za procjenu kapaciteta predviđanja između dvodimenzionalnog i trodimenzionalnog

pristupa, Lane je izveo usporedbu dvodimenzionalnih i tridimenzionalnih modela u

kanalima sa šljunčanim tlom velike relativne hrapavosti. Otkriveno je da

trodimenzionalni model pruža puno pouzdanija predviđanja posmičnih sila na dnu i

ostalih parametara toka. Evaluacija trodimenzionalnog modela, ipak je otkrila veliku

osjetljivost na male varijacije u promjeni mjerene dubine zbog problema u specifičnosti

topografske složenosti. Dodatno, kalibracija u trodimenzionalnom modelu traži detaljna

mjerenja trodimenzionalnog polja brzina koristeći akustični Doppler-ov brzinomjer

(ADV). S obzirom na kompleksnost geometrije većine šljunčanih dna i nezaobilaznih

izazova u prikupljanu kalibracijskih podataka za trodimenzionalne modele,

dvodimenzionalni modeli pružaju zadovoljavajući pristup simulaciji toka u šljunčanim

tlima. [2]


16

4.4. Usrednjena brzina po dubini

S obzirom na prirodu vodotoka, u samom poprečnom presjeku pojavljuju se različite

brzine ovisno o promatranom dijelu poprečnog presjeka. Budući da tako izmjerenih brzina

može biti velik broj samo u jednom presjeku, provodi se usrednenje brzina kako bi se dobio

reprezentativan podatak za kasniju usporedbu različitih djelova bazen-slapišnih sekvenci.


17

5)Prikaz hidrauličkih parametara bazen-slapišne sekvence

Pri razmatranju bazen-slapišta u vodotoku, te proračunu sekvenci važni parametri su:

- Dimenzioniranje slapišta

- Pozicioniranje i razmaci bazen-slapišta

- Pronos nanosa

- Stabilnost

- Stabilni promjer kamenja

Mehanizmi kojima bazeni i slapišta nastaju osnovni su aspekti oblika kanala i procesa

u njemu. U tokovima velikih gradijenata, bazeni su često „prisiljeni“ preprekama ili

konstrukcijama u kanalu. U planinskim kanalima sa grubim, nepravilnim granicama,

bazeni su uobičajeno prisiljeni lokanim preprekama, kao što su kameni blokovi u

vodotoku. Hrapavi elementi uzrokuju konvergenciju toka, ubrzanje i povećan kapacitet

za pronos nanosa za vrijeme velikih protoka, tako forsirajući razvoj bazena. U mnogim

krupnozrnatim, planinskim rijekama, bazeni nastali zaprekama su više pravilo nego

iznimka. [2]

5.1. Greben od trupaca

Što se grebena konstruiranih od trupaca tiče, ta metoda primjenjiva je za korita

građena od pješčanog materijala. U takvim koritima ne nalazimo kamenje, a u slučaju

instalacije istog može doći do podlokavanja i dislociranja.

Slika 5.1::1 Slapište načinjeno od trupaca

Kako bi kontrolirali eroziju korita potrebno je ugraditi geotekstil na uzvodnoj strani

trupca i ukopati ga minimalno 1.5 m u korito, a sa nizvodne strane potrebno je geotekstil

omotati oko trupca.


18

Slika 5.1::2 Prikaz zaštite trupaca u tijelu slapišta

5.2. Greben od kamenih blokova

5.2.1. Nagibi grebena

U profilu pri grebenu postavljamo veće kamenje. Nagib na uzvodnoj strani izvodimo

sa padom 1:4. Na nizvodnoj strani nagib se izvodi sa padom 1:10 do 1:20, ovisno o tome

omogućujemo li tako prolaz ribama.

Slika 5.2.1.::1 Uzdužni presjek grebena

Presjek izvodimo u obliku slova V. Najniža točka postavlja se u sredinu profila.

Nagib za obje strane izvodimo sa padom 1:4. Upotreba geotekstila u slučaju

podlokavanja je obavezna. Kod korita podložnih eroziji potrebno je dobro ukopati greben

u obalu.


19

Slika 5.2.1.::2 Poprečni presjek slapišta

5.2.2. Dimenzioniranje grebena na slapištu

Dok širina grebena na dnu (WB) i obali (WT) ovisi o širini kanala, visina i dužina

grebena ovisi projektnoj razini vode te nagibima dna i lica grebena.

Slika 5.2.2.::1 Tlocrt i presjeci grebena [5]

5.2.3. Visina grebena

RH,MAX[m]=Db[m]+(q2

2gDb2) −

3

2(

q2

g)1/3

Gdje je:

RH,MAX[m]- maksimalna dopuštena visina grebena

Db[m]- uzvodna dubina vode prije izgradnje

q[m2/s]- jedinični protok= Q[

m3

s]

W[m]

g[m/s2]- ubrzanje sile teže


20

Slika 5.2.3.::1 Poprečni presjek grebena [4]

SRU [%]- nagib uzvodnog lica grebena

RH [m]- visina grebena iznad dna kanala

SRD [%]- nagib nizvodnog lica grebena

SB [%]- nagib kanala

RD[m]= RH[m]

(SRD[%]−SB[%]) – horizontalna udaljenost od vrha do dna grebena

RU= RH[m]

(SRU[%]+SB[%]) [m]– horizontalna udaljenost od vrha do nožice grebena

YD= RD[m]x(SB[%]) [m]– visinska udaljenost dna od dna grebena na mjestu najviše

točke grebena [5]

5.2.4. Pozicioniranje i razmaci bazen-slapišta

Početna procjena lokacije može se napraviti primjenom λ kriterija, gdje λ predstavlja

razmak između bazena ili slapišta. Primjenjeni kriterij treba odražavati razmake u

promatranim vodotocima kao i prirodnu ili ravnotežnu širinu pri maksimalnom protoku

(Wbf). Gdje nedostaju potrebni podaci, λ se može uzeti u vrijednosti 4 do 6 Wbf.

Na slici 3.2.4.::1 prikazan je interval bazen-slapišne stepenaste sekvence bez uzvodnog

potopljenog grebena te razmaka između grebena i bazena. Bazen je uvjetovan nagibom

vodotoka i visinom grebena na slapištu.


21

Slika 5.2.4.::1 Prikaz nepotopljene bazen-slapišne sekvence [4]

L[m]= RH[m]

SB [%]– dužina bazena bez povratnog poplavljivanja

RD[m]= RH[m]


Istep=L[m] + RD[m] – interval između vrhova grebena

Slika 3.2.4.::2 prikazuje bazen-slapišnu sekvencu sa potopljenim uzvodnim grebenom.

Dubina bazena ovisi o nagibu terena te visini grebena, odnosno dubini potapanja

uzvodnog grebena.

Slika 5.2.4.::2 Prikaz potopljene bazen-slapišne sekvence [4]

L[m]= RH[m]


BF [m]- visina povratnog poplavljivanja na uzvodnom grebenu

RD[m]= RH[m]



22

Istep=L[m] - (BF[m]

SB [%]) + RD[m] – interval između vrhova grebena u sekvenci sa

potopljenim grebenom

Slika 5.2.4.::3 prikazuje bazen-slapišnu sekvencu sa razmakom između uzvodnog

grebena i bazena. Dubina bazena ovisi o nagibu terena i visini nizvodnog grebena.

Slika 5.2.4.::3 Prikaz razmaknute bazen-slapišne sekvence [4]

L[m]= RH[m]


RD[m]= RH[m]

(SRD[%]−SB[%]) – horizontalna udaljenost od vrha do dna slapišta

Irun= L[m] + RD[m] + razmak [m] – interval između vrhova grebena u sekvenci sa

razmakom između grebena i bazena[5]

5.2.5. Pronos nanosa

Slika 5.2.5.::1 Prikaz postupka uravnoteženja nagiba dna sa posmičnim naprezanjima [5]

Na slici 5.2.5.::1 su prikazane bazen-slapišne sekvence sa oznakama djelova te

energetski gubici na pojedinim djelovima. Kako bi projektirana sekvenca ostala stabilna

tokom dužeg vremena, kanal treba efikasno transportirati nanos koji dolazi iz uzvodnog

područja, bez prekomjernog taloženja ili ispiranja. Nakupljanje nanosa na kamenitim


23

dnima u tokovima bogatima sedimentima se očekuje do nagiba dna S' u kojem su

posmična naprezanja dovoljno velika da se dodatni nanos odnese. Pronos nanosa određen

je energetskim gubicima po dnu između struktura.

Pretpostavljajući jednoliko tečenje uzvodno, nagib dna S' računa se na način:

S'[%]=h′[m]

L′[m]=

hm[m]−h′′[m]

Lm[m]−L′′[m]

Gdje je:

S'[%] – nagib dna

h'[m] – energetski pad na brzacu

L'[m] – duljina brzaca

hm[m] – energetski pad na promatranom segmentu kanala

Lm[m] – duljina promatranog segmenta kanala

h''[m] – energetski pad na bazenu i slapištu

L''[m] – duljina bazena i slapišta

Lm[m]=λW[m]

Gdje je:

Lm[m] – duljina promatranog segmenta kanala

λ –razmak slapišta ili bazena

W[m] – širina korita na visini obale

L''[m]=A[m]

SB[%]+Ls[m]=(1+d)Ld[m]

Gdje je:

L''[m] – duljina slapišta

A[m] – ukupna visina grebena

SB [%]- nagib nizvodnog dijela kanala

Ls[m] – duljina odvajanja toka

d – proračinski koeficijent odvajanja toka

Ld[m]=A[m]

SRD[%] – duljina površine vode na slapištu



24

hm[m]=Lm[m]So[%]

Gdje je:

hm[m] – energetski pad promatrane bazen-slapišne sekvence

Lm[m] – duljina promatrane bazen-slapišne sekvence

So[%] – prosječna vrijednost nagib kanala

h''[m]=cA[m]

Gdje je:

h''[m] – energetski pad na bazenu i slapištu


c – proračunski koeficijent gubitka energije na slapištu ( između 0.5 i 1)

A[m]=RH[m]

1−SB[%]

SRD[%]

Gdje je:


RH [m]- visina slapišta iznad dna kanala

SB [%]- nagib dna nizvodnog dijela kanala


Nakon proračuna nagib dna (S'[%]), pomoću Manningove jednadžbe mogu se dobiti

srednja brzina (v'[m/s]) te dubina (D'[m]). Pomoću tih vrijednosti može se

proračunativrijednost količine pronosa nanosa (Gb'[kg/s]).

D'[m]= (𝑞[

𝑚2

𝑠]𝑥𝑛

√𝑆′[%])3/5

Gdje je:

D'[m] – srednja dubina prilikom jednolikog toka

q[m2/s]- jedinični protok

n[s/m1/3]- Manningov koeficijent na grebenu

S'[%] - nagib dna


25

v'[m/s]=Qbf[

m3

s]

D′[m]Wbf[m]

-gdje je:

v' [m/s]- srednja brzina prilikom jednolikog toka

Qbf [m3/s] – protok za vrijeme najviše razine vode

D'[m] – srednja dubina prilikom jednolikog toka

Wbf [m]- širina na razini obale

Za grube sedimente (D35>0.002m) Gb' je:

Gb'=(Ggr

′SgD35

𝐷′)ρQbf

Ggr'=0.025(v′

0.17√32gD35(Sg−1) log(10D′

D35)

− 1)1.78

-gdje je:

Ggr'- bezdimenzionalna vrijednost količine pronosa nanosa

Gb'[kg/s]-proračunska vrijednost količine pronosa nanosa

D'[m]- srednja dubina prilikom jednolikog toka

Sg[kg/m3]- specifična masa sedimenta (2.65 kg/m3)

D35[m]- karakteristični promjer zrna nanosa od kojeg je 35% manje veličine

Qbf[m3/s]- proračunski maksimalni protok

ρ[kg/m3]- gustoća vode

Proračunati Gb' se zatim uspoređuje sa planiranim Gb, koji se dobija mjerenjem

pronosa nanosa prije početka radova unutar korita, te ako nisu isti, postupak se iterativno

ponavlja dok vrijednosti ne budu približno iste. [5]


26

Slika 5.2.5::2 Grafički prikaz proračuna pronosa nanosa i dimenzija bazen-slapišne sekvence

5.2.6. Stabilnost kamenih blokova

Tokom perioda velikih voda, povećava se posmično naprezanje u bazenima zbog

povećanja dubine vode i pada površine vode. Povećanjem tih parametara povećava se

opasnost od ispiranja sedimenata nataloženih u vremenu između razdoblja velikih

voda.[1] Kako bi se postigao najbolji raspored kamenja, krivulja veličine zrna trebala bi

odražavati onu koja se može naći u prirodi. Poželjno je veće, stabilne komade koristiti za

gradnju krune grebena. Proračun maksimalnog promjera kamenja za vrijeme ekstremnih

protoka može se proračunati kao:

Dr50[m]=τd

χρg(Sg−1)τc∗ =

DdSB

χ(Sg−1)τc∗

-gdje je:


27

Dr50[m]- karakteristični promjer zrna od kojeg je 50% zrna manje

τd[N/m2]- proračunsko prosječno naprezanje na nizvodnom licu

Dd[m]- maksimalna dubina u uvjetima jednolikog tečenja koja je definirana visinom

obala iznad vrha slapišta

ρ[kg/m3]- gustoća vode

g[m/s2]- ubrzanje sile teže

SB [%]- nagib nizvodnog dijela kanala

Sg[kg/m3]- specifična masa sedimenta (2.65 kg/m3)

τc*- kritično posmično naprezanja na početku pomicanja čestica (između 0.03 i 0.06)

χ- korekcijski faktor kojim se uzima u obzir težinska komponenta koja pokušava

pokrenuti česticu na strmijim vodotocima (>5%)

χ=cos θ(1- tan θ

tan Φ)

-gdje je:

Θ[º]- kut nagiba dna ili vodene površine

Φ[º]- kut unutarnjeg trenja u sedimentu[5]


28

6) Primjer proračun bazen-slapišne sekvence

Za potrebe proračuna uzet je protok Q=17m3/s, vrijednost količine pronosa nanosa

Gb=17kg/s, veličina zrna D35= 0.04m, nagib kanala SB=2.4%, nagib uzvodnog lica

grebena 25%, a nizvodnog 10% te širina W=12m.

6.1. Dimenzioniranje grebena na slapištu

Dok širina grebena na dnu (WB) i obali (WT) ovisi o širini kanala, visina i dužina

grebena ovisi projektnoj razini vode te nagibima dna i lica grebena.

6.2. Visina grebena (RH)

Prema slici 3.2.3.::1 dimenzije grebena su:

RH [m]=Db[m]+(q2

2gDb2) −

3

2(

q2

g)1/3

-jedinični protok

q = Q[

m3

s]

W[m]=

17

12= 1.4[m2/s]

-uzvodna dubina vode Db= 1.8 [m]

RH [m]=Db[m]+(q2

2gDb2) −

3

2(

q2

g)1/3=1.4+(

1.42

2x9.81x1.42) −3

2(

1.42

9.81)1/3= 0.95≈1

-horizontalna udaljenost od vrha do dna grebena:

RD= RH[m]

(SRD[%]−SB[%])=

1

(0.1−0.024)= 13.16 m

RU= RH[m]

(SRU[%]+SB[%])=

1

(0.25+0.024)= 4.25 m – horizontalna udaljenost od vrha do pete

grebena

YD= RD[m]x(SB[%])=13.16x0.024=0.32 m – visinska udaljenost dna od dna grebena na

mjestu najviše točke grebena

[5]


29

6.3. Pozicioniranje i razmaci bazen-slapišta

Prema slici 5.2.4:1 interval između vrhova grebena se računa kao:

L[m]= RH[m]

SB [%]=

1

0.024= 41.67 m – dužina bazena bez povratnog poplavljivanja

RD[m]= 13.16 m – horizontalna udaljenost od vrha do dna grebena

Istep=L[m] + RD[m]= 41.67+13.16= 54.83 m – interval između vrhova grebena

Slika 5.2.4.::2 prikazuje bazen-slapišnu sekvencu sa potopljenim uzvodnim grebenom.

Dubina bazena ovisi o nagibu terena te visini grebena, odnosno dubini potapanja

uzvodnog grebena. Prema slici 3.2.4.::2 interval između vrhova grebena, izračunava se

kao:

L[m]= 41.67 m - dužina bazena bez povratnog poplavljivanja

RD[m]= 13.16 m – horizontalna udaljenost od vrha do dna grebena

BF= 0.2m - visina povratnog poplavljivanja na uzvodnom grebenu

Istep=L[m] - (BF[m]

SB [%]) + RD[m]= 41.67 - (

0.2

0.024) + 13.16= 41.67-8.33+13.16= 46.5m –

interval između vrhova grebena u sekvenci sa potopljenim grebenom

Slika 5.2.4.::3 prikazuje bazen-slapišnu sekvencu sa razmakom između uzvodnog

grebena i bazena. Dubina bazena ovisi o nagibu terene i visini nizvodnog grebena.

Interval između grebena se izračunava kao:

L[m]= 41.67m - duljina bazena bez povratnog poplavljivanja

run = 5 m

RD[m]= 13.16m – horizontalna udaljenost od vrha do dna slapišta

Irun= L[m] + RD[m] + razmak [m]= 41.67+13.16+5= 59.83 m – udaljenost između vrhova

grebena kod sekvence sa razmakom

[5]


30

6.4. Pronos nanosa

Pretpostavljajući jednoliko tečenje uzvodno, S' se računa kao:

S'[%]=h′[m]

L′[m]=

hm[m]−h′′[m]

Lm[m]−L′′[m]

Lm[m]=λW[m]

L''[m]=A[m]

SRD[%]+Ls[m]=(1+d)Ld[m]

hm[m]=Lm[m]So[%]

h''=cA[m]

A[m]=RH[m]

1−SB[%]

SRD[%]

- duljina promatranog segmenta kanala:

Lm=λW= 3.2x12=38.4[m]

-duljina slapišta:

L''=A[m]

SRD[%]+Ls[m]=(1+d)Ld[m]

-ukupna visina grebena:

A=1

1−0,024

0,10

= 1.32m

-duljina nizvodne površine vode:

Ld=A[m]

SRD[%]=

1.32

0.10=13.2m

-duljina slapišta:

L''=(1+d)Ld[m]=13.2m

-energetski pad na promatranom segmentu kanala:

hm=Lm[m]So[%]=38.4x0.024=0.92m

-energetski pad na slapištu:


31

h''=cA[m] = 0.5x1.32=0.66m

-nagib na uzvodnom dijelu kanala:

S'[%]=h′[m]

L′[m]=

hm[m]−h′′[m]

Lm[m]−L′′[m]=

0.92−0.66

38.4−13.2=

0.26

25.2= 0.010

Nakon proračuna ravnotežnog nagiba (S'[%]), pomoću Manningove jednadžbe mogu

se dobiti ravnotežna brzina (v'[m/s]) te dubina (D'[m]). Pomoću tih vrijednosti može se

proračunati granična vrijednost količine pronosa nanosa (Gb'[kg/s]).

-dubina na uzvodnom dijelu:

D'= (𝑞𝑥𝑛′

√𝑆′)3/5= (

1.4𝑥0.03

√0.010)3/5 =0.59m

-brzina na uzvodnom dijelu:

v'=Qbf

𝐷𝑏Wbf=

17

0.59x12= 2.40m/s

Za grube sedimente (D35>0.002m) Gb' je:

Ggr'=0.025(v′

0.17√32gD35(Sg−1) log(10D′

D35)

− 1)1.78

=0.025(2.40

0.17√32g0.04(2.65−1) log(10x0.59

0.04)

− 1)1.78= 0.0056

Gb'=(Ggr

′SgD35

D′)ρQbf = (

0.0056x2.65x0.04

0.59)1000x17= 17.0[kg/s]

– U slučaju nepoklapanja izračunatog Gb' te pronosa nanosa prije izgranje Gb, postupak

proračuna se ponavlja dok se ne dobiju približno iste vrijednosti.

6.5. Stabilnost kamenih blokova

Proračun maksimalne veličine kamenja za vrijeme poplava može se proračunati kao:

Dr50[m]=τd


DdSRD

χ(Sg−1)τc∗

χ=cos θ(1- tan θ

tan Φ)


32

tan Θ= SRD

Θ=tan(𝑆𝑅𝐷)−1= tan(0.1)−1= 5.71°

χ=cos 5.71(1- 0.1

tan 40)= 0.876

Dr50[m]=τd


DdSRD

χ(Sg−1)τc∗ =

0.8x0.1

0.876(2.65−1)x0.06= 0.92

[5]


33

7)Zaključak

Biološke vodogradnje predstavljaju tehnike i mjere kojima se uspostavlja prvobitna

struktura, funkcija i samoodrživo ponašanje vodotoka. Pri primjeni tehnika i mjera

bioloških vodogradnji potrebno je razumjeti fizičku i biološku komponentu vodotoka i

pripadajućeg sliva. Biološke vodogradnje primjenjuju širok raspon mjera :

- Uklanjanje poremećaja uzrokovanih nestabilnostima

- Instalacija struktura i sadnja biljaka sa ciljem zaštite obale i pružanja utočišta i

staništa biljnim i životinjskim vrstama

- Preoblikovanje ili premještanje nestabilnih dijelova korita vodotoka u pravilno

oblikovane tokove i povezana poplavna područja [7]

Promatranjem bazen-slapišnih sekvenci u otvorenim vodotocima te ispitivanjem

njihovog ponašanja došlo se do saznanja o procesima koji se događaju u vodotocima.

Njihovo ponašanje ponajprije ovisi o veličini zapreke koja se postavlja u vodotok kako bi

se stvorile bazen-slapišne sekvence. Proračunom dimenzija slapišta, može se utjecati na

pojavu poplavnih voda zbog smanjenja presjeka vodotoka. Dimenzioniranjem se može

utjecati i na prostorni razmještaj količina vode, kako za vrijeme velikih voda, tako i za

vrijeme malih protoka.

Bazeni imaju ulogu stvaranja staništa te zadržavanja vode u tim staništima za vrijeme

malenih protoka. Slapišta s druge strane služe kao zapreka te se njihovom visinom može

utjecati na samu veličinu bazena. U urbanim vodotocima izgradnjom sekvenci se

degradiraju uvjeti obrane od poplava, te se samo pravilnim dimenzioniranjem može

izbjeći negativan utjecaj izgradnje bazen-slapišnih sekvenci.

Parametri koji se koriste kod proračuna su dimenzije korita (širina i dubina), ubrzanje

sile teže, protoci koji se uzimaju kao mjerodavni te nagibi kanala. Preporučeni nagib

uzvodnog lica grebena je 1:4, dok se nagibi nizvodnog lica kreću od 1:20 do 1:10.

Bazen-slapišne sekvence su karakteristične za ravne, ali i meandrirane rijeke sa

šljunčanim dnom sa nagibom manjim od 4%

Obzirom da se sustavna istraživanja ne provode često te zbog ispitivanja koja mogu

biti opasna, nema dovoljno podataka. Međutim, uvidjele su se prednosti i nedostaci

samih bazen-slapišnih sekvenci.


34

Prednosti :

- Lokaliziran gubitak energije na brzacima pomaže u smanjenju erozije obala i korita

- Povećana prosječna dubina za vrijeme malih voda omogućuje stanište ribama

- Kontrola pada kanala

- Povećana aeracija na mjestu slapišta

- Kratkoročno hvatanje i zadržavanje nanosa

- Mali troškovi održavanja

Nedostaci:

- Radovi se moraju izvoditi u samom koritu pri čemu prisutnost vode otežava izvođenje

- Ovisno o lokaciji restauracije, nabava kamenja može biti otežana i skupa

- Postoji mogućnost da se bazen-slapišna sekvenca neće uklopiti u karakter vodotoka

- Teško je uvjeriti skeptične ljude u dobrobit tehnike

- Nepravilna instalacija može dovesti do pojave ribljih barijera

[7]


35

8)Literatura

[1] „Restoration of Riffle:Pool Sequences in Channelized Streams“ – B.C.'s Stream

Restoration Technical Bulletin

[2] „Modeling forced pool-riffle hydraulics in boulder-bed stream, southern California“ –

Lee R. Harrison, Edward A. Keller

[3] „Intl. J. River Basin Management Vol. 2, No. 4 (2004)“

[4] „Designing Poll and Riffle Streams“ – Robert Newbury PhD PEng

[5] „Hydraulic and Design aspects of natural and constructed riffles in gradvel-cobble bed

rivers“ – Daniel Richard Walker

[6] „Delineation of Stream Bed Features“ – Vermont Agency of Natural Resources

[7] „Biološke vodogranje, pools and riffles restauracijski efekti“ – Tomislav Lebinec

[8] „Mehanika fluida“ – prof. Željko Andreić

Završni rad - Ruđer Bošković Institute · Geometrija bazena, slapišta i meandra varira u...

Documents

Transcript of Završni rad - Ruđer Bošković Institute · Geometrija bazena, slapišta i meandra varira u...