Zapewne każdy z was niejednokrotnie słyszał o takich budowlach hydrotechnicznych jak Zapora Hoovera czy Zapora w Solinie. Czy kiedykolwiek zastanawialiście się jakie są obciążenia tam oraz zapór? Jesteście w stanie wymienić kilka z nich? Jeżeli nie, dziś wam w tym pomożemy.

Co budują bobry?

W języku polskim przyjęło się stwierdzenie, że bobry budują tamy. Niestety w rzeczywistości bobry budują zapory! Jakie więc są różnice między tymi dwoma pojęciami. Otóż jako tamę należy rozumieć rodzaj budowli służącej wytworzeniu i utrwaleniu nowego brzegu na cieku wodnym. Jako zaporę natomiast należy rozumieć rodzaj budowli, której celem jest spiętrzenie wody. Skoro znamy już różnice, poznajmy też i podobieństwa.

Obciążenia tam oraz zapór

Możemy wyróżnić różne rodzaje obciążeń działających na tamy bądź zapory. Między innymi są to:

  • ciśnienie wody,
  • wypór,
  • trzęsienie ziemi,
  • ciężar własny,
  • ciśnienie wywołane oddziaływaniem mułu,
  • ciśnienie wywołane działaniem fal,
  • ciśnienie lodu.

Poniżej pokrótce przedstawimy każde z nich.

Ciśnienie wody

Możemy wyróżnić dwa kierunki obciążenia tam oraz zapór wodą: pionowy oraz poziomy. Oczywiście kierunki te związane są z pionowością ściany, na którą woda oddziałuje. W przypadku gdy woda oddziałuje tylko i wyłącznie z jednej strony konstrukcji mamy do czynienia z tamą. W przeciwnym przypadku, gdy mamy do czynienia z zaporami oddziaływanie wody jest dwustronne. Poniżej przedstawiamy rysunki dla lepszego rozumienia tematu wody i jej oddziaływania na tamy lub zapory.


1. Powierzchnia pionowa.

Ciśnienie wody na tamy oraz zapory

W tej sytuacji jedynym oddziaływaniem jest ciśnienie wody w układzie poziomym.  Jego reprezentacja to siła przyłożona w 1/3 wysokości źródła wody licząc od podłoża, czyli w miejscu środka ciężkości bryły naporu.

P1=wH2/2

gdzie:

W – ciężar objętościowy wody,
H – wysokość wody zgromadzonej w zbiorniku.

2. Powierzchnia skośna.

Ciśnienie wody na tamy i zapory

Skośna powierzchnia tamy lub zapory od strony oddziaływania wody powoduje powstanie obciążenia zarówno pionowego jak i poziomego. Bez wątpienia, siła na kierunku poziomym jest dokładnie taka sama jak w przypadku 1. Różnica polega na uwzględnieniu dodatkowej siły pionowej, której wartość można wyznaczyć zgodnie z poniższym wzorem:

P2=(bh2w)+(0.5bh1w)

gdzie:

b – długość skośnej części ściany od strony oddziaływania wody,
h1 – wysokość skośnej części ściany od strony oddziaływania wody,
h2 – wysokość zanurzonej pionowej części ściany od strony oddziaływania wody.

Punktem przyłożenia powyżej siły jest środek ciężkości słupa wody spoczywającego na powierzchni pochyłej.

3.Dwustronne oddziaływanie wody.

Dwustronne oddziaływanie wody występuje podczas procesu projektowania zapór. Może uwzględniać siły zarówno z przypadku 1 jak i 2 w zależności od geometrii zapory. W rezultacie jedyną różnicą jest to, że ciśnienie wody pojawia się po dwóch stronach konstrukcji. Z jednej strony zapory są to wartości wyższe, z drugiej natomiast niższe. Bezsprzecznie ma to związek z przeznaczeniem zapór. Jak już wcześniej wspomnieliśmy ich zadanie polega na spiętrzaniu wody.

Ciśnienie wody na zaporze

Wypór

Jako drugie z działających obciążeń należy wymienić wypór. Woda dostając się do szczelin i spękań konstrukcji, a także pod jej fundament w rezultacie powoduje powstanie gradientu hydraulicznego, a w konsekwencji pionowego ciśnienia w górę zwanego wyporem. Ciśnienie to zmniejsza masę konstrukcji, a tym samym zmniejsza siłę utrzymującą, przez co konstrukcja staje się bardziej wrażliwa na obrót.

Wypór - tama lub zapora

Wzór na siłę wyporu:

Pu=(wHB)/2

Pu – siła wyporu,
B – szerokość fundamentu,
H – wysokość wody zgromadzonej w zbiorniku.

Istotne jest aby siłę tą tak jak w poprzednich przypadkach przyłożyć w środku ciężkości bryły obciążającej ciśnieniem wyporu.

Trzęsienie ziemi

Podczas projektowania budowli hydrotechnicznych szczególną uwagę należy zwrócić na obszar, na którym się znajduje. W przypadku obszarów sejsmicznych lub aktywnych kompleksów uskoków geologicznych ważne jest, aby uwzględnić obciążenie dynamiczne jakie może się pojawić. Bezsprzecznie obciążenie to działa we wszystkich kierunkach. Zwykle jednak dla celów projektowych przyjmuje się, że siły wywołane trzęsieniem ziemi działają pionowo oraz poziomo. W tym przypadku to poziome obciążenie wywołuje większy efekt. Nie należy tu zapominać również o tym, że drgania sejsmiczne wpływają zarówno na budowle hydrotechniczne jak i na wodę zgromadzoną w zbiorniku. Poniżej przedstawiamy sposoby ich uwzględnienia.

Siły spowodowane bezwładnością budowli hydrotechnicznej

Fh=±wαh                       αh=1.50α
Fv=±wαv                     
αv=0.75α

gdzie:

Fh – siła pozioma wywołana drganiami sejsmicznymi,
Fv – siła pionowa wywołana drganiami sejsmicznymi,
αh i αv – poziomy i pionowy współczynnik sejsmiczny,
w – ciężar budowli hydrotechnicznej.

α=βIαo

gdzie:

β – współczynnik podłoża gruntowego przyjmowany jako 1,
I – współczynnik zależny od kategorii ryzyka/zagrożenia,
α0 – współczynnik sejsmiczny zaczerpnięty z map sejsmicznych.

Ważne aby działanie wyżej wymienionych sił uwzględnić w środku ciężkości rozpatrywanej konstrukcji.

Siły sejsmiczne działające na tamę lub zaporę

Siła hydrodynamiczna wywołana bezwładnością wody

Znamy już wpływ sejsmiki na budowle hydrotechniczne. Teraz przedstawimy jej wpływ na wodę w zbiorniku.

W wyniku przeprowadzonych obliczeń wykazano, że rozkład ciśnienia hydrodynamicznego spowodowanego trzęsieniem ziemi na powierzchni czołowej tamy lub zapory jest w przybliżeniu paraboliczny, jak pokazano na rysunku poniżej.

Siła hydrodynamiczna wywołana bezwładnością wody

Wartość tego ciśnienia można wyliczyć na podstawie wzoru:

pez=cαhϒwH

gdzie:

αh – poziomy współczynnik sejsmiczny,
ϒw – ciężar objętościowy wody,
H – wysokość wody zgromadzonej w zbiorniku,
c – współczynnik wyliczony zgodnie z poniższym wzorem.

z – odległość w metrach od źródła wody do rozważanego punktu,
cm – współczynnik nachylenia ściany budowli hydrotechnicznej od strony naporu wody obliczony zgodnie z:

cm=0.735(1-Ɵ/90)

Ɵ – kąt nachylenia w stopniach zgodnie z rysunkiem

Kat nachylenia ściany tamy lub zapory

Siłę oraz moment wywołane działaniem trzęsienia ziemi na głębokości z można wyznaczyć zgodnie z:

Fe=0.726pezz

Me=0.299*pezz2

Ciężar własny

Zwykle projektując konstrukcję ciężar własny kojarzy się z dodatkowym obciążeniem jakie dany element powinien przenieść. W przypadku omawianych tu obciążeń tam oraz zapór ich ciężar własny stanowi główną siłę oporu. Można go wyznaczyć korzystając ze wzoru przedstawionego poniżej:

W=ϒmV

V – objętość konstrukcji,

ϒm – ciężar objętościowy konstrukcji.

Ciśnienie wywołane działaniem mułu

Mając do czynienia z wodą wiemy, że na jej dnie często tworzy się warstwa mułu. Bez wątpienia siłę wywieraną przez muł należy traktować jako dodatkową siłę działającą wraz z ciśnieniem wody. W celu jej wyznaczenia należy posłużyć się wzorem Rankine’a:

Psilt=0.5ϒshs2ka

gdzie:

ka – współczynnik czynnego nacisku mułu (1-sinØ)/(1+sinØ),
Ø – kąt tarcia wewnętrznego gruntu (kohezja zaniedbana),
ϒs – ciężar objętościowy mułu,
hs – wysokość warstwy mułu.

Ciśnienie w mule

Ciśnienie wywołane działaniem fal


Powstawanie fal na powierzchni zbiornika związane jest z działającym wiatrem. Fale te wywierają nacisk na górą część zapory powyżej poziomu zwierciadła wody. Ciśnienie to można obliczyć za pomocą równania:

pw=2.4ϒwhw

gdzie:

ϒw – ciężar objętościowy wody,
hw – wysokość fali.

hw=(0.32*√FV)+0.763-0.271F1/4        dla      F < 32 km

hw=0.32*√VF                                         dla       F > 32 km

V – prędkość wiatru w km/h,
F – prosta długość odcinka wody w km.

W rezultacie maksymalne ciśnienie spowodowane działaniem fali osiągane jest gdy działa ona 0.5 m nad powierzchnią wody niewzbudzonej.

Siłę działającą od naporu fal można wyznaczyć z równania:

Pw=0.5(2.4ϒwhw)5/3hw

Jej działanie należy uwzględnić na wysokości równej 3/8hw  ponad zwierciadło wody niezbudzonej.

Ciśnienie wywołane działaniem fal

Ciśnienie lodu

Lód, który może powstawać na powierzchni wody w zbiorniku pod wpływem temperatury zaczyna się topić oraz rozszerzać. W rezultacie, w wyniku takiej sytuacji konstrukcja poddawana jest działaniu liniowej siły wzdłuż długości tamy lub zapory na poziomie zwierciadła wody. Wielkość tej siły może się wahać od 250 do 1500 kN/m2 w zależności od zmian temperatury. Jako wartość najczęściej występującą można przyjąć 500 kN/m2.

Podsumowanie

Jak widać obciążenia tam oraz zapór stanowią niełatwe zagadnienia. Ich odpowiednie rozpoznanie oraz zrozumienie umożliwia bezpieczne projektowanie. To własnie obciążenia tam oraz zapór, jak i zrozumienie mechanizmu ich działania powinny stanowić jedne z pierwszych kroków podczas procesu projektowania.

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Proszę wpisać swój komentarz!
Proszę podać swoje imię