Progi wodne

(Drop Structures)

Progi wodne modelowane mogą być przy użyciu polecenia przelewu czołowego (ang. inline weir) bądź za pomocą szeregu przekrojów obliczeniowych. Jeśli użytkownik jest zainteresowany jedynie położeniem zwierciadła wody powyżej i poniżej budowli, wówczas użycie polecenia przelewu czołowego byłoby właściwszym podejściem (zgodnie z opisem zawartym we wcześniejszym podrozdziale). Jeśli jednak chciałby on uzyskać bardziej dokładny profil zwierciadła wody poniżej i na samej budowli, wówczas powinien zamodelować próg za pomocą szeregu przekrojów.

Gdy modeluje się budowlę za pomocą szeregu przekrojów, najważniejsze jest, by mieć wystarczająco dużo przekrojów we właściwych miejscach. Przekroje muszą być zagęszczone w miejscach, gdzie powierzchnia zwierciadła i prędkości przepływu zmieniają się gwałtownie (tj. tuż powyżej i poniżej progu). Przykład progu przedstawiono na rys. 8.15.

Rys. 8.13. Próg wodny zamodelowany za pomocą szeregu przekrojów obliczeniowych.

Rys. 8.15. Próg wodny zamodelowany za pomocą szeregu przekrojów obliczeniowych.

Jak pokazano na rys. 8.15, odległości między przekrojami powinny się zmniejszać w miarę jak zbliżamy się do progu (przekroje umieszczone są w miejscach, gdzie znajdują się czarne kwadraty na linii dna). Co więcej, jeśli próg znajduje się na dnie o dużym spadku, wówczas również tam umieszczone powinny być dodatkowe przekroje, tak aby móc odpowiednio zamodelować przejście pomiędzy ruchem spokojnym a rwącym. Kilka przekrojów umieszczonych powinno być również w niecce wypadowej (tam gdzie znajdują się dysypatory energii), aby móc właściwie obliczyć położenie odskoku hydraulicznego (odskok może pojawić się już na ścianie progu lub gdzieś w głębi niecki). Współczynniki szorstkości Manninga n powinny być odpowiednio wyższe wewnątrz niecki aby uwzględnić zwiększone opory przepływu powodowane przez bloki dysypatorów.

W celu sprawdzenia tej metody modelowana progów wodnych dokonano porównania wyników modelu fizycznego i obliczeń HEC-RAS. W trakcie fazy projektowej przebudowy urządzeń na rzece Santa Ana zlecono Waterways Experiment Station (WES) wykonanie badań modelowych progów i określenie zaleceń projektowych. Wyniki tych badań zostały opublikowane w publikacji "General Design for Replacement of or Modifications to the Lower Santa Ana River Drop Structures", Orange County, California (Technical Report HL-94-4, kwiecień 1994, USACE). Zbadano ponad 50 różnych kształtów progu w skali 1:25 w korycie laboratoryjnym i w skali 1:40 pełnych modeli przestrzennych. Kształt progów zastosowanych na rzece Santa Ana jest podobny do tego, który w raporcie nosi nazwę TYPE 10. Wykonano też model HEC-RAS tej budowli i uzyskane wyniki porównane zostały z obserwacjami na modelu fizycznym.

Geometria modelu w HEC-RAS wykonana została na podstawie rysunku projektowego WES.

Rys. 8.16. Rysunek projektowy WES (Plate 13).

Rys. 8.16. Rysunek projektowy WES (Plate 13).

Całkowita długość modelowanego odcinka wynosiła 350 stóp (1 stopa = 0.305 m), 150 powyżej korony progu i 200 poniżej. Przekroje miały kształt prostokątny, a odpowiednie odległości wynosiły:

Lokalizacja Długość odcinka
Górne stanowisko 10 stóp
Ponad progiem 2 stopy
Wewnątrz niecki 10 stóp
Poniżej budowli 10 stóp.

Współczynniki kontrakcji i ekspansji wynosiły odpowiednio 0.1 i 0.3. Zastosowane zostały dwie wartości współczynnika Manninga. Wewnątrz niecki, gdzie dno znajdowało się na poziomie 85 stóp, współczynnik szorstkości wynosił 0.05. We wszystkich pozostałych przekrojach wynosił on 0.03. Wyższy współczynnik n zastosowany wewnątrz niecki wynikał z istnienia dodatkowych strat energii w niecce, powodowanych rzędami deflektorów, które nie zostały uwzględnione w geometrii przekrojów poprzecznych.

Wyniki eksperymentów WES wprowadzono do modelu jako wartości zaobserwowane (ang. observed values). Wyniki HEC-RAS porównano z tymi z koryta laboratoryjnego na rys. 8.17. To porównanie świadczy o tym, że HEC-RAS był w stanie adekwatnie oddać warunki przepływu zarówno powyżej jak i poniżej budowli.

Istnieją pewne rozbieżności ponad koroną przelewu i w okolicy odskoku hydraulicznego. Dzieje się tak dlatego, że równanie energii zawsze pokaże przejście przez głębokość krytyczną ponad krawędzią przelewu. Obserwacje fizyczne świadczą, że przejście to znajduje się zwykle w odległości 3-4 głębokości krytycznych powyżej krawędzi przelewu. Jednak, jak widać na rysunku, na krótkim odcinku wyniki obliczeń HEC-RAS zbiegają do zaobserwowanych danych. Właściwa głębokość maksymalna na górnym stanowisku jest najbardziej istotnym wynikiem w obliczeniach progów.

Poniżej progu strumień ma charakter rwący i przechodzi w odskok hydrauliczny. Obserwacje wskazują, że znajduje się on w odległości 50-60 stóp poniżej i towarzyszy temu wielka burzliwość przepływu. HEC-RAS nie potrafi przewidzieć jak długi będzie odskok, ale właściwie wskazuje miejsce, gdzie będzie się on zaczynać. HEC-RAS zawsze pokaże, że odskok zachodzi pomiędzy dwoma sąsiednimi przekrojami. Model HEC-RAS daje w wyniku wyższy poziom zwierciadła wody w niecce i jego obniżenie poniżej niecki. Model pokazuje zwierciadła jako dość gładkie linie, podczas gdy w rzeczywistości przejściom tym towarzyszy duża burzliwość przepływu, a poziom zwierciadła waha się w górę i w dół. Ogólnie rzecz biorąc model HEC-RAS daje dobre wyniki poniżej, na samej budowli i powyżej niej.

Rys. 8.17 Porównanie obserwacji w korycie laboratoryjnym i wyników HEC-RAS dla progu wodnego.

Rys. 8.17 Porównanie obserwacji w korycie laboratoryjnym i wyników HEC-RAS dla progu wodnego.