Określanie pól jałowego przepływu

(Defining Ineffective Flow Areas)

Podstawowym problemem z jakim spotykamy się modelując przekroje mostowe jest wyznaczenie tych części przekroju, przez które nie odbywa się właściwy przepływ i w związku z tym nie powinny być one uwzględniane w obliczeniach jako aktywne. Przedstawione na rys. 5.1 części koryta oddzielone linią przerywaną, stanowią jego nieaktywne obszary – odnosi się to oczywiście do przepływów niskich oraz ciśnieniowych.
Na rys. 5.2 przedstawiona jest typowa sytuacja, kiedy most przegradza dużą część terenów zalewowych i stanowi przeszkodę dla wód wezbraniowych.

Rys. 5.2. Przekroje poprzeczne przy moście

Rys. 5.2. Przekroje poprzeczne przy moście

Numeracja przekrojów odpowiada opisowi przekrojów poprzecznych zawartemu w części Rozmieszczenie przekrojów poprzecznych tego rozdziału. Trudności nastręcza przekształcenie naturalnego przekroju poprzecznego (rys.5.2 b) w przekrój obliczeniowy (rys.5.2 c). Określenie nieaktywnych części terenów zalewowych może odbyć się poprzez zmianę geometrii koryta w przekrojach 2 i 3 lub wprowadzenie naturalnego kształtu przekroju i użycie do eliminacji odpowiednich części przekroju opcji pól jałowego przepływu.

Należy jednak pamiętać, że w rzeczywistości, gdy przepływ odbywa się również ponad konstrukcją mostową, obszary niegdyś określone jako jałowe, zaczynają aktywnie prowadzić przepływ – sytuacja taka będzie niemożliwa w przypadku zmiany geometrii koryta. Zaleca
się więc użycia opcji pól jałowego przepływu, tym bardziej że nie powoduje ona zwiększenia długości obwodu zwilżonego ponad długość dna koryta, nad którym odbywa się przepływ.

Dzięki użyciu opcji jałowego przepływu, cały przepływ odbywa się poprzez światło mostu, aż do momentu gdy obliczone zwierciadło wody znajdzie się powyżej poziomu ograniczającego pole jałowe po którejkolwiek ze stron koryta. Program umożliwia wprowadzenie punktów i poziomów kontrolnych pól jałowego przepływu – nie muszą się one pokrywać z istniejącymi punktami przekroju poprzecznego – jeżeli zajdzie taka potrzeba program wyinterpoluje i doda do przekroju kolejny punkt.

Prawidłowo określone granice pola jałowego przepływu w przekrojach 2 i 3 powinny umożliwić zaistnienie zjawiska nagłej kontrakcji w bezpośrednim sąsiedztwie mostu. Od strony wody górnej strumień zwęża się gwałtownie – zaleca się przyjęcie stosunku zwężenia 1:1. Innymi słowy, jeżeli przekrój 3 umieszczony został 2 metry od lica mostu, granice pola jałowego przepływu umieszczone powinny być w przekroju 2 metry bliżej brzegu. Po stronie wody dolnej mamy do czynienia z podobną sytuacją. Jednak w zależności od kształtu przyczółka efektywna szerokość przepływu w przekroju 2 może być mniejsza, równa lub większa od szerokości światła mostu. Wtaczający się w światło mostu strumień zwęża się i w przypadku ostrych kształtów przyczółka właściwe pole przepływu jest mniejsze od całkowitego, wynikającego ze światła mostu. Następnie strumień zaczyna się sukcesywnie rozszerzać. Z uwagi na to zjawisko, określenie nieaktywnych (jałowych) części przekroju 2 może okazać się bardzo trudne. Zaleca się tu ustawienie jako aktywnej szerokości równej lub nieco większej (możliwe nieznaczne rozszerzenie się strumienia) od światła mostu, chyba że kształty przyczółków są bardzo ostre (pionowe ściany bez skrzydeł wprowadzających).

Górne poziomy ograniczające pola jałowego przepływu powinny odpowiadać głębokościom strumienia przy których mamy do czynienia z przelewaniem się wody ponad konstrukcją mostu. W przypadku przekroju poniżej mostu poziom ułożenia się zwierciadła wody nie jest znany przed przeprowadzeniem pierwszych obliczeń – zmuszeni jesteśmy wartość tą oszacować samodzielnie. W pierwszym kroku zaleca się ustalić ją na wartość nieco mniejszą od wysokości korony mostu, np. jako średnią wartość pomiędzy wysokością korony a spodem dźwigarów.

Pola jałowego przepływu pozostają nieaktywne aż do momentu, gdy wysokość zwierciadła wody nie przekroczy ich górnej granicy – zakłada się, że gdy woda zaczyna przelewać się przez koronę mostu, przepływ prowadzony jest przez całą szerokość przekroju. Jeżeli istnieją powody, by sądzić że nawet po przekroczeniu ich górnej granicy, aktywny przepływ w dalszym ciągu odbywać się będzie jedynie częścią terenów zalewowych, należy zwiększyć ich współczynnik szorstkości n i w ten sposób ograniczyć ich przepustowość. Przekroje 2 i 3 są zwykle podobne do siebie, a w wielu przypadkach identyczne – różnice polegają na określonych w nich polach jałowego przepływu.
W przypadku przekroju górnego (3), poziom ograniczający pole jałowego przepływu powinien być określony pierwotnie na poziomie najniższego punktu korony mostu. Może się jednak okazać, że program obliczył przepływ uwzględniając przelew ponad korona, chociaż obliczone zwierciadło wody górnej znajduje się poniżej korony mostu. Obie metody obliczeniowe, zarówno dla przepływu ciśnieniowego jak i przelewu, opierają się na położeniu linii energii w przekroju 3 – kiedy wyliczona zostaje jej wartość, program poszukuje odpowiadającego jej wartości położenia zwierciadła wody. Czasem okazać się może, że wyliczone zwierciadło wody zawiera się w obszarze przepływu jałowego, poniżej korony mostu. Należy wówczas obniżyć nieco górną granicę pola jałowego w przekroju – zwierciadło wody znajdzie się wówczas bliżej położenia linii energii, która przebiega powyżej korony mostu.

Podsumowując, pola jałowego przepływu uznawane są za nieaktywne jedynie w przypadku, gdy cały przepływ mieści się w świetle mostu. Jeżeli zwierciadło wody przekracza górne granice pola jałowego, program uznaje że przepływ prowadzony jest przez cały przekrój.
Użytkownik powinien samodzielnie sprawdzić, czy położenie zwierciadła wody jest zgodne z typem przepływu – w przypadku przepływów niskich i ciśnieniowych, aktywna część przekrojów powinna odpowiadać światłu mostu, w przypadku zaistnienia przelewu
przez koronę mostu aktywna powinna być cała powierzchnia przekroju.