Hidrológiai Közlöny 1997 (77. évfolyam)

1-2. szám - 3-4. szám - 3. szám - Kozák Miklós–Rátky István: Oldalcsatornás árapasztók hidraulikai méretezése

KOZÁK M. - RÁTKY I.: Oldalcsatomás árapasztók 161 Ezután következik az U szelvényű oldalcsatorna statikai vizsgálata, melynek kritikus terhelési esete üres csatornánál és a normális tározási vízszintnél (Z = Z

N, 3. ábra) áll elő. Általában, a szilárdságtani követelmények kielégítéséhez olyan vékony falvastagságok elégségesek, amelyek mellett az önsúly értéke kisebb, mint a felhajtóerő (G < F) A felúszással szembeni stabilitást (G > F) - az önsúly növelésével, vagy egyéb megoldásokkal (lehorgonyozás, konzolok, stb.) segítjük elő. A Szerzők több száz változatra elvégzett számításaiból az idevonatkozó tapasztalatok így összegezhetők: a/ A G > F stabilitási feltétel a legtöbb esetben csak az önsúly növelésével vagy egyedi építési, szerkezeti megoldásokkal érhető el. b/ Ha a csatorna mélysége növekedik, a teljes felhajtóerő értéke (F) csökken. Ez előnyös lehet a surran tó szempontjából is. c/ Nagyobb vízhozamoknál (Q > 60 m

3/s) az U-alakú szelvény gazdaságosabb, mivel F/G~l. Kisebb vízhozamoknál (Q < 60 m

3/s) a felhajtóerő értéke általában nagyobb, mint az önsúly (F/G ~ 1,1 -s-1,5). 3. A surrantó tervezésének alapelvei Az oldalcsatornából a víz h

c

r vízmélységgel lép a nagyesésü (S > S

c

r) surrantóra. (4. és 5. ábra). A surrantón nagysebességű (v > v

c

r) vízmozgás alakul ki, melynek jellege és hatása nagymértékben függ a surrantó felületétől (sima, érdes, lépcsős, levegőztetett, stb.) A surrantó hidraulikai méretezésének feladatai: • a surrantón kialakuló Z = Z(x) felszíngörbe vagy a h = h(x) vízmélységek (5. ábra), a v = v(x) sebességek meghatározása, és • a szerkezetre káros nagy (v > v

c

r) sebességek csökkentése. A surrantón kialakuló rohanó vízmozgás (5. ábra) számításának dinamikai alapegyenlete: Q

2 Z

0

1 + /?, cos a + = Z

0

2 + h^ cos a + 2 g(Bh)] Q

2 (10) 2 gtml + Ah. ahol Ah

e a Ax elemi diszkretizált surrantó hosszának a súrlódási energiaveszteség, ami a felületi érdesség növekedésével, vagy/és a vízsugár levegőztetésével számottevően növelhető [1, 5, 9, 10,11], A surrantón kialakuló rohanó vízmozgás Z = Z(x) felszíngörbéje a (10) egyenlettel számítható, fokozatos közelítéssel [4], A surrantót elemi (Ax = 2-5 m) hosszúságú szakaszokra kell felosztani. A számítás a legfelső szelvénynél kezdődik, ahol a határfeltételi vízmélység: hcr A h vízmélység fokozatosan csökken és tart a normál mélységhez, (h —> h

0 < h

c

r), mivel az áramlás gyorsuló. Bár a vízmélység fokozatosan csökken (h < h

c

r), de gazdaságossági, szerkezeti és egyéb biztonsági okokból gyakran célszerűbb, ha a surrantó oldalfalának magasságát állandónak vesszük. A nagyesésű és sima fenekű surrantókon nagy sebességű áramlás alakul ki, ami gyakran okoz kavitációt és szerkezeti eróziót [1, 7, 9], Hasonló káros hatások keletkezhetnek a dilatációs hézagoknál is, ha a szomszédos szerkezeti elemek lépcsősen (nem síkban) csatlakoznak egymáshoz. Ezért számos kutató a biztonságosabb és gazdaságosabb megoldás érdekében lépcsőzetes fenék kialakítást és levegőztetett vízsugarat javasol a surrantókra (6. ábra). A levegőztetés csökkenti a kavitációs veszélyt [5, 9, 10, 11], Ez a megoldás gazdaságosabbá teszi nemcsak a surrantó, de a vízláda kialakítását is. A vízsugár levegőfelvétele függ a meder érdességétől és a surrantó hosszától [1, 5, 7], A modellkísérlettel történő ellenőrzés ebben az esetben kötelező. A surrantó hossz-szelvényének megválasztása a topográfiai és a helyi geológiai feltételektől is függ. Egyenes alaprajzi vonalozás a legkedvezőbb. A kanyarban vezetett surrantóban a centrifugális erő kellemetlen hatásokat okoz. Függőleges értelemben a konvex görbületnél az áramlás - a görbülettől függően - elválhat a fenéktől és kavitációt okozhat. Konkáv görbületnél fokozódik a nyomás a fenékre [1, 7], A fenék vonalazása függőleges értelemben különösen fontos. Ez gazdasági okokból gyakran nem egyenes, hanem kettős görbületű [12]. Számos kutató ajánlja a surrantok lépcsős és levegőztetett fenekű kialakítását. Ugyanakkor, számos esetben egyes surrantok katasztrófáját a munkahézagoknál előforduló szerkezeti elemek lépcsős (néhány cm-es) szintbeli eltérése okozta, mivel ezek nyomás-változásokat, és az áramlás leválását okozták. Ezek a lépcsők szerkezetkárosodást és altalaj eróziót is okoztak. Ám ez a két állítás nincs egymással ellentétben a következő okok miatt. Nagy esésű, lépcsőzött, levegőztetett surrantón nagy sebességű áramlás nem képes kifejlődni az intenzív levegőztetés miatt. Ezzel szemben, ha a fenék sima, akkor kifejlődik a nagy sebességű áramlás és ha ez helytelenül kiképzett olyan munkahézaggal találkozik, ahol csak néhány mm-es „lépcső" van, ott azonnal olyan örvényes leválások és vibrációs hatások keletkeznek, amelyekben szerkezet et károsító kavitáció keletkezik. Ugyanekkor ezeknél a dilatációs hézagoknál a nyomás ingadozás elérheti és erodálhatja az altalajt. Ez történt a Tavera völgyzárógát surrantójánál is, ami súlyosan megrongálta a műtárgyat. Az elmondottakból következik, hogy a nagyesésű, lépcsőzött surrantókon kialakuló mesterségesen levegőztetett áramlás sebessége drasztikusan csökken és ez az áramlás különbözik a sima felületű, nem lépcsőzött surrantókon kialakult áramlástól. Alaprajzi vonalazás tekintetében lehetőleg egyenes, iránytörésektől mentes megoldást válasszunk, hogy elkerüljük a túlzott keresztirányú eséseket. A surrantó oldalfalának magassága (h,) több tényezőtől függ, nevezetesen: • a fenék típusától (sima vagy lépcsőzött) • a levegőztetés arányától, • a szükséges biztonságtól.