Hidrológiai Közlöny 1981 (61. évfolyam)

12. szám - Ujfaludi László: Átszivárgó vízhozam számítása kétrétegű talajra alapozott vízépítési műtárgyaknál

» 543 Hidrológiai Közlöny 1981. 11. sz. Átszivárgó vízhozam számítása kétrétegű talajra alapozott vízépítési műtárgyaknál UJFALUÜI LÁSZLÓ* SÍK ALAPOZÁSÚ MŰTÁRGYAK Bevezetés A vízépítési műtárgyak szivárgás szempontjából történő méretezésére hazánkban legutóbb 1959-ben adtak ki tervezési segédletet [1] , az ide vonatkozó MSz 15221 számú szabvány pedig 1969-es keltezésű. Az utóbbi évtizedekben ezen a területen számos újkutatási eredmény született (Id. pl. [2] , amelyeknek a tervezői gyakorlatba történő átültetése igen fontos feladat. Ezért az Országos Vízügyi Hivatal 1971-ben megbízást adott a VITUKI-nak egy új tervezési segédlet előkészítő munkálatainak elvégzésére. A kutatás öt éve alatt végzett munkánk két részre osztható. Először az irodalom tanulmányozása alapján összegyűjtöttük azokat a számítási módszereket, amelyek pontosságuknál és könnyű kezelhetőségüknél fogva a gyakorlati tervezés számára megfelelőek. Munkánk másik, jóval nagyobb részét újabb kutatások képezték. Az irodalom feltárása során ugyanis kiderült, hogy a műtárgyak alatti szivárgás mozgásjellemzőinek számításához rendelkezésre álló módszerek szinte kizárólag kétdimenziós mozgásra, ezen belül is legtöbbször csak egyrétegű talaj esetére alkalmazhatók. Kétrétegű talajra már csak néhány speciális határfeltétel esetén vannak megoldások, ezek többsége is közelítő jellegű. A valóságos vízépítési műtárgyakat viszont általában két- vagy többrétegű talajra alapozzák. A kisműtárgyaknál emellett még az oldalszivárgásnak is nagy a jelentősége, tehát a mozgás ezeknél semmiképpen sem tekinthető kétdimenziósnak. A gyakorlati esetek határfeltételei tehát legtöbbször jóval bonyolultabbak, mint amelyekre a jelenleg meglévő számítási módszerek érvényesek. Kutatásaink során az egyszerűbb esetektől fokozatosan a bonyolultabbak felé haladva megkíséreltünk olyan számítási módszereket kidolgozni, amelyekkel az eddigieknél bonyolultabb határfeltételek esetén is megbízhatóan számíthatók a szivárgási mozgásjellemzők. Egynél több talajréteg esetére már a síkbeli szivárgás mozgásegyenletei sem oldhatók meg analitikus módszerekkel, háromdimenziós mozgás esetén még kevésbé. A szivárgási mozgásjellemzők meghatározására két lehetőség kínálkozik: numerikus módszerekkel (véges differencia- vagy véges elemmódszerrel) történő megoldás, vagy fizikai modellek alkalmazása. Lehetőségeinknél fogva mi az utóbbi módszert választottuk; elektromos analóg modellek sorozatát építettük meg úgy, hogy a modellben bizonyos tartományban változtattuk a hidraulikai és geometriai határfeltételeket. A modellbeli elektromos mérések alapján meghatároztuk a szivárgási mozgásjellemzők értékét, amelyekre a változók függvényében egy-egy pontsort kaptunk. Efcután olyan függvényeket kerestünk, amelyek grafikonjai az említett pontsorokkal jó egyezést mutatnak. A mérési eredmények alapján tehát megkíséreltük empirikus összefüggéseket felállítani a mozgásjellemzők számítására. Bizonyos esetekre ily módon sikerült viszonylag könnyen kezelhető képleteket kidolgozni. A többi esetben a mérési eredmények alapján kapott grafikonok használhatók a mozgásjellemzők meghatározására. Kutatásaink során kétdimenziós esetben kétrétegű talajra, háromdimenziós esetben pedig egy- és kétrétegű talajra alapozott műtárgyak szivárgási mozgás ""Vízgazdálkodási Tudományos Kutató Központ, Budapest jellemzőinek vizsgálatával foglalkoztunk. Vizsgálatainkat a tervCWs számára leglényegesebb három szivárgási mozgásjellemzőre: az átszivárgó vízhozamra, a felhajtóerő-eloszlásra és a kilépési gradiensre terjesztettük ki. Ebben a tanulmányban a kétrétegű talajra alapozott műtárgyak alatt átszivárgó vízhozam meghatározására kapott eredményeinket ismertetjük. A teljes kutatási programnak ezek a vizsgálatok csak viszonylag kis részét képezték, az eredményeket azonban itt sikerült egységes számítási rendszerbe foglalni, így többi eredményeinkhez képest ezek gyakorlati számításokra könnyebben használhatók és pontosságuk is nagyobb. A tanulmányban leírtak kétdimenziós, nyomás alatti permanens mozgásokra vonatkoznak. Az irodalom áttekintése Egyrétegű talajra alapozott műtárgyak A vízépítési műtárgyak alatt létrejövő szivárgó vízmozgások problémája már a szivárgáshidraulika kialakulásának kezdeti szakaszában foglalkoztatta a kutatókat. Dupuit [3] a földgátaknál jól ismert vízszintes áramkép-közelítést nyomás alatti szivárgásra alkalmazva, a műtárgyak alatt átszivárgó vízhozam számítására is dolgozott ki módszert. Bligh a műtárgyak stabilitásának ellenőrzésére gyakorlati tapasztalatok alapján dolgozott ki módszert, amelyet később Lane és Zamarin továbbfejlesztett (ismertetését ld. pl. [1]). A Schwarz—Ghristoffel-féle konform leképezési eljárásnak a szivárgási síkra történő alkalmazásával Pavlovszkijnak [4] sikerült teljesen szabatos megoldást adnia a potenciál- és az áramfüggvényt leíró Laplace-egyenletekre. Módszere, bár a segítségével számított vízhozam (és a többi mozgásjellemző is) teljesen szabatos értéknek tekinthető, mégsem terjedt el a gyakorlatban. Ennek oka számítástechnikai nehézségeivel magyarázható: alkalmazásához az elliptikus függvények elméletének ismerete és ezek táblázatainak használata szükséges. A tervezési gyakorlatban egyszerűbb kezelhetőségük miatt sokkal inkább a különböző közelítő módszerek terjedtek el. Ezek egyik csoportjába az egyszerűsítő hidraulikai feltevések alapján levezetett számítási módszerek, másikba pedig a modellkísérletek eredményei alapján kidolgozott empirikus képletek tartoznak. É módszerek mindegyike csak a változók meghatározott tartományára alkalmazható. 1956-ban publikálta Csugajev az ún. ellenállási tényezők módszerét [5]. Ennek alapelve az, hogy a műtárgyak alatti talajréteget olyan egyenértékű vízszintes áramlási csővel helyettesíti, amelyben a szádfalaknak, lépcsőknek, süllyesztéseknek egyegy ellenállási elem felel meg. A mozgásjellemzők Pavlovszkij módszerével számított pontos értékeinek felhasználásával sikerült az egyenértékű áram-