Obliczenia wody górnej przy kontroli wlotem

(Computing Inlet Control Headwater)

W warunkach kontroli wlotem wydatek przepustu bardziej zależy od przepustowości wlotu niż od warunków przepływu poniżej. W wyniku badań National Bureau of Standards, Bureau of Public Roads i innych organizacji powstał szereg formuł opisujących zachowanie się wody górnej w różnych warunkach. Formuły te stanowią podstawę nomogramów kontroli wlotem FHWA zamieszczonych w "Hydraulic Design of Highway Culverts" (FHWA, 1985). W HEC-RAS do obliczeń wody górnej w warunkach kontroli wlotem używane są właśnie równania FHWA. Równania kontroli wlotem opracowane zostały dla wlotów zatopionych i niezatopionych. Równania te mają następującą postać:

Wlot niezatopiony

$$\frac{HW_i}{D} = \frac{H_c}{D} + K \left[ \frac{Q}{AD^{0.5}} \right]^M - 0.5\cdot S , \qquad \textrm{(6-1)}$$
$$\frac{HW_i}{D} = K \left[ \frac{Q}{AD^{0.5}} \right]^M. \qquad \textrm{(6-2)}$$

Wlot zatopiony

$$\frac{HW_i}{D} = c \left[ \frac{Q}{AD^{0.5}} \right]^2 + Y - 0.5\cdot S , \qquad \textrm{(6-3)}$$

gdzie:
$HW_i$ - wysokość energii na górnym stanowisku ponad poziomem dna przepustu [m],
$D$ - wewnętrzna wysokość przewodu przepustu [m],
$H_c$ - energia właściwa strumienia w warunkach ruchu krytycznego (głębokość krytyczna + wysokość prędkości krytycznej) [m],
$Q$ - wydatek przepustu [m3/s],
$A$ - całkowite pole przekroju poprzecznego przewodu przepustu [m2],
$S$ - spadek przewodu przepustu [.],
$K, M, c, Y$ - stałe zależne od kształtu przepustu i warunków na wlocie.

Proszę zwrócić uwagę na to, że mamy dwie formy równania dla wlotu niezatopionego. Pierwsza forma (6-1) jest teoretycznie bardziej właściwa, jednak druga (6-2) jest łatwiejsza do zastosowania i jest jedyną opisaną formą równania dla niektórych typów przepustów. W HEC-RAS używane są obie formy równania zależnie od typu przepustu.

Uważa się, że nomogramy FHWA charakteryzują się dokładnością do 10% w oszacowaniu poziomu wody górnej w warunkach kontroli wlotem (FHWA, 1985). Nomogramy były tworzone dla przepustów o spadku 0.02 (2%). Dla innych spadków nomogramy te będą obarczone większym błędem, ponieważ poziom wody górnej zależy od spadku przepustu. Ponieważ jednak HEC-RAS uwzględnia w obliczeniach wody górnej spadek, jego wyniki powinny być lepsze od nomogramów, szczególnie dla przepustów ułożonych pod spadkiem innym niż 0.02.