Przepływ ciśnieniowy

Przepływ ciśnieniowy zachodzi, gdy przepływ zaczyna sięgać spodu konstrukcji mostu – wówczas woda na górnym stanowisku zaczyna się piętrzyć, a przepływ na charakter wypływu z otworu. Program automatycznie rozpoznaje, czy w kontakcie z wodą pozostają obie strony mostu, czy ma to miejsce jedynie po stronie wody górnej i dobierze, w zależności od sytuacji, odpowiednie równanie.

Rys. 5.4 Przekrój mostowy z przepływem ciśnieniowym – przypadek 1.

Rys. 5.4 Przekrój mostowy z przepływem ciśnieniowym – przypadek 1.

W pierwszym z możliwych przypadków, gdy jedynie na górnym stanowisku woda wchodzi w kontakt z konstrukcją nośną mostu (patrz rys. 5.4), do obliczeń użyte zostaje równanie jak dla niezatopionego zamknięcia zasuwowego (za FHWA):
$$Q = C_d A_{BU} \sqrt{2g} \left[ Y_3 - \frac{Z}{2} +\frac{\alpha_3 v_3^2}{2g} \right]^{1/2}, \qquad\textrm{(5-14)}$$

gdzie $Q$ – całkowity wydatek światła mostu,
$C_d$ – współczynnik wydatku dla przepływu ciśnieniowego,
$A_{BU}$ – powierzchnia netto światła mostu w przekroju BU,
$Y_3$ – głębokość wody w przekroju 3,
$Z$ – różnica poziomów najwyżej położonego punktu spodu konstrukcji nośnej mostu i średniego poziomu dna w przekroju BU.

Współczynnik wydatku Cd może wahać się w zależności od głębokości górnej wody w granicach od 0.27 do 0.50 – wartością zwykle przyjmowaną jest 0.50. Użytkownik ma możliwość wprowadzenia dowolnej z zakresu, stałej wartości współczynnika wydatku lub pozwolić programowi na jego obliczenie w funkcji stopnia zatopienia górnego przekroju. Wykres zależności współczynnika wydatku światła mostu od stosunku $Y_3 / Z$ przedstawiony został na rys. 5.5.

Rys. 5.5 Współczynnik wydatku Cd światła mostu dla obliczeń jak dla zasuwy niezatopionej

Rys. 5.5 Współczynnik wydatku $C_d$ światła mostu dla obliczeń jak dla zasuwy niezatopionej

Jak widać na rys. 5.5, graniczną wartością stosunku $Y_3/Z$ jest 1.1. W strefie przejściowej, pomiędzy wartościami 1.0 a 1.1, w której przepływ o swobodnej powierzchni zmienia się w wypływ z otworu, jednoznaczne ustalenie jego charakteru jest niemożliwe, co pociąga za sobą ograniczenia w zastosowaniu równania 5-14.

Rys. 5.6 Przepływ ciśnieniowy przez most – przypadek 2.

Rys. 5.6 Przepływ ciśnieniowy przez most – przypadek 2.

W drugim z możliwych przypadków, kiedy konstrukcja mostowa zatopiona jest od strony wody górnej i dolnej (patrz rys. 5.6), do obliczeń użyte zostaje standardowe równanie wypływu przez otwór zatopiony:

$$Q = CA\sqrt{2gH},\qquad\textrm{(5-15)}$$

gdzie $C$ – współczynnik wydatku dla wypływu całkowicie zatopionego,
$H$ – różnica wysokości energii na górnym stanowisku i poziomu wody na dolnym,
$A$ – powierzchnia netto otworu mostowego.

Wartości współczynnika wydatku C wahają się najczęściej w granicach od 0.7 do 0.9 – najczęściej stosowana jest wartość 0.8. Użytkownik zobowiązany jest wprowadzić jego wartość – najlepiej jest tu odnieść się do wartości współczynnika całkowitych strat $K$, użytym w równaniu wypływu przez otwór, zawartym w programie HEC-2 (HEC, 1991) :

$$Q = A\sqrt{\frac{2gH}{K}},\qquad\textrm{(5-16)}$$

przy czym relacja pomiędzy współczynnikami jest następująca:

$$C=\sqrt{\frac{1}{K}},\qquad\textrm{(5-17)}$$

Program dokonuje sprawdzenia możliwości zaistnienia przepływu ciśnieniowego w momencie przekroczenia położenia linii energii poziomu spodu dźwigarów mostu w górnym przekroju mostowym 3. Gdy przepływ zaczyna mieć charakter ciśnieniowy, następuje porównanie wyników obliczeń położenia zwierciadła wody dla przepływów ciśnieniowych z wynikami dla przepływów o swobodnej powierzchni – za ostateczną odpowiedź uznaje się wynik wyższy. Warto pamiętać o tym, że użytkownik ma możliwość zmiany kryterium zaistnienia przepływu ciśnieniowego – można mianowicie, posłużyć się nie wysokością energii, lecz poziomem zwierciadła wody i w ten sposób wywołać obliczenia dla przepływu ciśnieniowego.