pregled i primena rezultata savremenih … · kljucne reci: klasican hidraulicki skok, prinudni...

UDK: 532.532/627.831Pregledni rad

PREGLED I PRIMENA REZULTATA SAVREMENIH HIDRAULICKIHISTRAZIVANJA U PROJEKTOVANJU PRELIVA VISOKIH BRANA

(drugi deo)

Zivodar ERCICEnergoprojekt, BeogradE-mail: [email protected]

REZIME

U drugom delu rada se ukratko opisuju objekti zarasipanje energije, posebno bucnice sa klasicnirn iprinudnim hidraulickirn skokom. Izneti su rezultatisavremenih istrazivanja u vezi sa odrec1ivanjem oblika idimenzije ovih objekata. Predlozen je metod zaodrec1ivanje projektnog protoka prema konceptuprojektovanja zasnovanom na ucinku, Izneti su osnovniprincipi za odrec1ivanje koncentracije vazduha ikoncentracije ukupno rastvorenog gasa u vodi.

Kljucne reci: klasican hidraulicki skok, prinudnihidraulicki skok, projektni protok, ovazdusenje,rastvaranje gasa

1. UVOD I SADRZAJ DRUGOG DELA RADA

Kineticka energija vodnog toka na kraju tranzitnog delapreliva visoke brane je obicno vrlo velika. Tako bi, naprimer, protok preko preliva brane Bajina Basta,verovatnoce prevazilazenja 0.000 I, imao ukupnu snaguod 7000 MW, odnosno specificnu snagu od 85 MW pojednom metru sirine tranzitnog dela preliva.

Rasipanje ove kineticke energije je sustinski problempri spajanju toka sa visokom i toka sa niskomkinetickorn energijom, odnosno pri privoc1enju prelivnihprotoka neke visoke brane u nizvodni recni tok. Uhidrotehnickorn inzenjerstvu se za tu svrhu koristeobjekti, poznati pod zajednickim nazivom .rasipacienergije" (energy dissipators), a upotrebljavaju se namestima gde bi kineticka energija prelivnih protokamogla da izazove podlokavanje brane i objekata uzbranu, eroziju dna i obala nizvodnog recnog korita,generaciju velikih talasa u nizvodnom odvodu i dr. Upraksi se koriste razliciti tipovi objekata za raspianjeenergije, a broj raspolozivih varijanti je veci nego za

VODOPRIVREDA 0350-0519, 39 (2007) 228 p. 181-203

bilo koju drugu komponentu povrsinskog preliva (uliteraturi [1] se navodi statisticki podatak da je nabranama u 61 zemlji izgrac1eno 370 razlicitih objekataza rasipanje enrgije).

Iako je raznovrsnost ovih objekata velika, energija se unjima uglavnom rasipa usled:

• turbulencije i unutrasnjeg trenja u vodnoj masi u zonivelikih gradijenata brzina u kojoj se formirajuvrtlozi;

• difuzije vodnog mlaza u atmosferi i trenja na dodiruvoda-vazduh.

Saglasno navedenim mehanizmima, efikasno rasipanjeenergije se moze postici:

povecanjem turbulencije vodnog toka naglompromenom horizontalnih i vertikalnih dimenzijakanala, prigusenjern, povecanjem rapavosti, udarommlaza u cvrstu granicu (pragovi, zubi, blokovi, dnorasipaca) i sudarom dva mlaza vode;

kreiranjem prosirene turbulentne zone izmec1u vode iokruzujuceg vazduha elementima za rasticanjevodnog mlaza ili kreiranjem njegovog asimetricnogoblika.

Brojni objekti za koncentrisano rasipanje energijeunutar relativno malog prostora mogu se svrstati u klasena bazi:

• hidraulicke akcije (turbulencija, trenje, difuzija);

• nacina disipacije: horizontalno (kao u hidraulickomskoku), vertikalno (kao u odskocnom mlazu) iprostorno;

• geometrije i oblika glavnog toka (naglo prosirenje,suzenje, suprotno delujuci tokovi, sudari i dr.);

• geometrije i oblika objekta u kome se odvija procesrasipanja energije.

181

Primena rezultata savremenih hidraulickih istrazivanja u projektovanju preliva visokih brana

U novijoj inostranoj tehnickoj literaturi aktuelan je stayda je najprakticnije da se rasipaci energije podele naklase prema njihovoj geometriji i obliku. Shodnogornjem, zavrsni deo povrsinskih preliva visokih branamoze se svrstati u sledece tri grupe:

Objekti sa hidraulickim skokom (Hydraulic jumpstilling basins),

Objekti sa glatkim iii nazubljenim potopljenimcilindrucnim dnom .Roller bucket stilling basins;solid, slotted),

Nepotopljeni odskoc: sa i bez betonskog bazena udonjoj yodi (Trajectory buckets, plunge pools),

U nasoj projektnoj praksi nisu usaglaseni, a cesto nisu nidefinisani, prikladni nazivi za sye vrste objekata zarasipanje energije. Obicno se koriste izrazi "slapista" i.bucnice" ali se uglavnom upotrebljavaju kao sinonimiza rasipace sa hidraulickim skokom. U ovom radu seizraz .xlapiste" koristi kao zajednicki naziv za svetipove rasipaca (slapiste = energy dissipator), dok jenaziv .Iiucnica" vezan za slapista sa hidraulickimskokom i slapista sa potpoljenim cilindricnim dnom.

Izlaganja u ovom, drugom, delu rada ogranicena su nabucnice pravougaonog poprecnog preseka sahidraulickirn skokom. Izneti su karakteristicni elementibucnice sa klasicnim hidraulickim skokom, sahorizontalnim iIi nagnutim dnorn, sa naglim iIipostepenim prosirenjern u osnovi, sa naglim spustanjernili izdizanjem dna i sa dodatnim elementima u dnu.

2. KRATKA ISTORIjA HIDRAULICKOGSKOKA

Premda poznavanje istorije hidraulickog skoka nemaprakticnu vrednost, ona je interesantna zbog, najpresasvirn laganog, a zatim vrlo intenzivnog proucavanjaovog fenomena.

Iako se hidraulicki skok formira na vodotocima od kakosu se oni pojavili na zemlji, najstariji sacuvan grafickiprikaz skoka izradio je Leonardno Da Vinci pocetkorn16. veka, ali sam fenomen on nije detaljnije analizirao.Najstariju sacuvanu knjigu sa slikom i grafickimprikazom poprecnog preseka hidraulickog skokanapisao je Guglielmini 1739. godine. 0 skoku, kaokorisnom sredstvu za naglu promenu dubine vodnogtoka, pisao je i Venturu 1797. godine. Prve opsezneanalize hidraulickog skoka izvrsio je italijanski profesorG. Bidone 1820. godine, zbog cega se u Italijihidraulicki skok naziva .Bidoneov skok", Bidone je

182

Zivodar ErCic

pokusao da izvede jednacinu skoka ali je rezultat bionetacan, jer je u analizu uveo pogresne pretpostavke.Francuski profesor Belanger je u svojoj knjizi, izdatoj1828. godine, prvi postavio osnove za proracunhidraulickog skoka. Znacajan doprinos u izucavanjuovog fenomena dali su zatim J. Belanger (1849), J.Bress (1860), Bazin u Darcy (1865) i Bussinesq (1870).Eksperimentalne studije u hidraulickim laboratorijama uUSA pocele su 1887. godine, a prve prakticne rezultatena osnovu eksperimenata objavio je S. Woodword 1915.godine. Usledila su brojna eksperimentalna istrazivanjau mnogim hidraulickim laboratorijama i na izgradenimobjektima sa razlicitim obuhvatorn, zavisno odpostavljenih ciljeva. Jedan deo istrazivaca usmerio jesvoj rad na prakticno koriscenje fenomena, odnosno naodredivanje ekonomski najpovoljnijih objekata zarasipanje energije i utvrdivanje njihovih generalnihdimenzija, izostavljajuci istrazivanja unutrasnjestrukture skoka. Drugi deo istrazivaca je prvenstvenoizucavao unutrasnji mehanizam skoka i njegove uzroke,ne obaziruci se na prakticnu vrednost svojihistrazivanja.

Dalji progres u upoznavanju i koriscenju hidraulickogskoka bio je relativno brz. Koncept spregnutih(konjugovanih) dubina je konacno prihvacen 1932.godine, a generalne bezdimenzionalne karakteristikeskoka u zavisnosti od "parametra kineticke energijetoka" (ekvivalent Frudovom broju) utvrdene su 1936.godine.

Krajem pedesetih i sredinom sezdesetih godina proslogveka istrazivane su i utvrdene turbulentne karakteristikehidraulickog skoka, a u istom vremenskom periodurealizovana su prva obimna istrazivanja fluktuacijepritisaka na cvrstoj granici ispod hidraulickog skoka uruskim hidraulickim laboratorijama. Treba istaci da susrpski istrazivacki medu prvima u svetu istrazivali ovupojavu, fundamentalnu u analizi konstruktivnestabilnosti betonske obloge urnirujucih bazena (G.Hajdin, J. Muskatirovic, A. Spoljancic, D. Arandelovic,M. Ivetic i dr.).

U periodu od 1950. do 1960. godine u Birou zamelioracije SAD (US Bureau of Reclamation - USBR)je realizovan obiman istrazivacki program sa ciljem dase odrede standardni hidraulicki objekti za rasipanjeenergije. Prozvod tog programa je poznata MonografijaNo. 25 (Engineering monograph No. 25; "Hydraulicdesign of stilling Basins and Energy Dissipators) koja sei danas koristi u projektovanju zavrsnih objekata prelivavisokih brana.

VODOPRIVREDA 0350-0519, 39 (2007) 228 p.181-203

Zivodar Ercic Primena rezultata savremenih hidraulickih istrazivanja u projektovanju preliva visokih brana

Prvi racunarski modeli hidraulickog skoka pojavili su se1975. godine, a opis skoka po modelu "slojevasmicanja" (shear layers) prikazan je 1978., a detaljnijerazradivan do 1989. godine.

Uvlacenje vazduha u hidraulicki skok privuklo je paznjuistrazivaca tek na pocetku druge polovine proslog veka.Ova vazna osobina hidraulickog skoka najpre jeispitivana u funkciji ukupne kolicine uvucenog vazduha(1962., 1974.). Rezultati ispitivanja iz 1972. god. prviput pokazuju da su proces uvlacenja vazduha, promenakolicine kretanja i rasipanje energije uskoku veomazavisni od karakteristike toka na pocetku skoka. Godine1995. su ustanovljene osobine mesavine voda-vazduh uparcijalno razvijenom hidraulickom skoku. U 2000-ojgodini ispitivani su i determinisani: vertikalnadistribucija vazdusne frakcije, frekvencija pronosamehura kroz profile i brzina mesavine voda-vazduh usmicucern sloju i regionu valjka pri relativno velikimulaznim Frudovim brojevima. Detaljna ispitivanjaosobina toka mesavine voda-vazduh pri malim ulaznimFrudovim brojevima realizovana su 2005. godine. Ipored brojnih dosadasnjih studija jos uvek nije potpunorazjasnjen proces difuzije mehura vazduha i mehanizmipromene kolicine kretanja u hidraulickorn skoku, pa suu tom smeru neophodna dalja istrazivanja.

los jedna vazna osobina hidraulickog skoka su njegoveoscilatorne karakteristike. Iako su neke od oscilatornihkarakteristika zapazene jos 1942. godine, a zatimprimecene u mnogim eksperimentalnim uslovima, sarnoje mali broj autora pominjao ovaj fenomen u literaturi.Tek 1995. godine, a zatim jos detaljnije 1999. godine,istrazivane su sledece oscilatorne karakteristike skoka:promena od jednog u drugi tip skoka (1); horizontalnokretanje pocetka skoka (2); varijacije komponenatabrzine i pritiska u regionu u blizini valjka (3) i procesformiranja, razvoja i spajanja struktura toka velikerazmere (4). Rezultati ovih eksperimenata pokazuju da,pod izvesnim uslovima, oscilira tip skoka i fluktuiranjegov pocetak, pri cernu je moguce odrediti periodefenomena.

Istorija skoka, a posebno protekli stogodisnji periodnjegovog koriscenja, mogli bi navesti na misao da suvee otkrivene sve tajne ovog fenomena. Ipak, najnovijaistrazivanja pokazuju da bi takav zakljucak biopogresan, jer novi pogled na strukturu turbulentnogsmicuceg toka ukazuje na potrebu razdvajanja slucajnogod neslucajnog procesa, sto ce znatno doprineti boljemrazumevanju ovog fenomena.

VODOPRIVREDA 0350-0519, 39 (2007) 228 p.181-203

3. OSNOVNE KARAKTERISTIKEHIDRAULICKOG SKOKA U BUCNICI

3.1 Definicije, tipovi i parametri

Hidraulicki skok u bucnici je nagli prelaz iz burnog tokasa velikom brzinom u mimi tok sa malom brzinomkretanja vode. Istaknute karakteristike hidraulickogskoka su naglo povecanje nivoa slobodne povrsinevode, veoma razvijena turbulencija, velika disipacijaenergije, vrlo efikasno uvlacenje vazduha na pocetkuskoka, odvazdusavanje toka na kraju skoka, generacijaspreja i zvuka, fluktuacija pritiska i brzine unutar skoka,erozioni potencijal, kavitacioni potencijal, generacijatalasa u donjoj vodi, i pod izvesnim uslovima,oscilatorna promena tipa skoka i fluktuacija pocetkaskoka.

Na prvi pogled, rasipanje energije pomocu hidraulickogskoka izgleda veoma privlacno resenje. Skok se mozeorganizovati unutar ogranicene i realtivno malezapremine cije su dimenzije teoretski jasno definisane.Takode je teoretski poznata i energija toka na krajuhidraulickog skoka. Ali, skok je veoma osetljiv injegovo zadrzavanje u odrec1enom prostoru zavisi odnivoa donje vode, promenljivog sa protokom.Degradacija recnog korita nizvodno od bucnice takodemoze dovesti do spustanja nivoa donje vode, tako dabucnica koja je na pocetku funkcionisalazadovoljavajuce, prestane da funkcionise pravilno, askok se formira nizvodno od za to predvidenog prostora.Ovaj nezeljeni dogadaj rnoze se spreciti promenomgeometrije dna i/ili bocnih zidova bucnice. Saglasno sanavedenim, u sadrzaju ovog rada su sledeci tipovibucnica:• sa klasicnim hidraulickim skokom• sa horizontalnim dnom spustenim ispod dna recnog

korita• sa nagnutim dnom• sa naglim iii postepenim prosirenjern u osnovi• sa naglim spustanjem iii izdizanjem dna i• sa dodatnim elementima u dnu.

Izbor tipa bucnice zavisi od veceg broja parametara, anajuticajniji su: (1) prilazni hidraulicki uslovi (brzina,prilazni Frudov broj, ovazdusenost prilaznog toka); (2)specificni merodavni protok i ucestalost pojave; (3) tipbrane i brzotoka; (4) vertikalni ugao pod kojim vodnimlaz dotice do dna brzotoka; (5) prihvatljivi erozionipotencijal na izlazu iz bucnice; (6) geoloske igeornehanicke karakteristike tla na izlazu iz bucnice; (7)karakteristike donje vode; (8) kavitacioni potencijal tokai (9) troskovi izgradnje.

183

Primena rezultata savrcmenih hidraulickih istrazivanja u projektovanju preliva visokih brana Zivodar Ercic

3.2. Karakteristike hidraulickog skoka

Turbulentne karakteristike toka u bucnici bice prikazaneu sledecem, trecem delu ovog rada.

Geometrijske karakteristike raznih tipova bucnica kao iodgovarajuce raspianje energije u njima prikazani su usledecim poglavljima.

Raspodela koncentracije vazduha po dubini toka,odnosno parametar CB kojim se definise koncentracijavazduha u granicnom sloju, je drugi bitan pokazateljovazdusenosti toka u bucnici. Nairne, dovoljnakoncentracija vazduha u granicnom sloju sprecava ili,bar, ublazava kavitaciona ostecenja dna, blokova ipragova koja nastaju usled depresija fluktuirajucegpritiska u bucnici,

Kolicina uvucenog vazduha, tj. parametar Q,/Qwje bitanza procenu nadimanja toka, odnosno za odredivanjekote krune bocnih zidova bucnice. Neka vizuelnazapazanja sugerisu da bi maksimalna visina skoka urecirkulacionom regionu mogla da bude za (10-20)%veca od druge spregnute dubine, zavisno od velicineprilaznog Frudovog broja.

Uvlacenje vazduha u hidraulicki skok pocmje u tackisusreta prilaznog toka i valjka, tj. na pocetkuhidraulickog skoka koji postojano fluktuira oko nekogsrednjeg polozaja. Mehure i pakete vazduha uvlacevrtlozi sa horizontalnom osom upravnom na pravac tokakoji se formiraju tokom susretanja dolazeceg mlazavode sa vodenom masom u bucnici, Uvucene mehure ipakete vazduha tok odvlaci u turbulentni smicuci region(turbulent shear region), karakteristican po intenzivnojturbulenciji, u kome se mehuri i paketi vazduharaspadaju u male mehurice. Kada mehurici vazduhadoplove u nizvodne zone sa malim smicucirn naponima,nastaje spajanje mehurica u vece zajednice vazduha(mehuri, paket) koji pod uticajem potisne sile odlaze uregion valjka iii II atmosferu. Desava se i znacajan brojizbacaja rnesavine voda - vazduh iznad prosecneslobodne povrsine valjka koji se brzo ponovo prikljuuju valjku i jos vise povecavaju njegovo nadimanje.

U drugom regionu se mogu razdvojiti dva podregiona:podregion velike uzburkanosti (boiling flow sub-region)karakteritican po razvoju vrtloga velikih razmera iformiranju velikih mehura i paketa vazduha i podregionpene (foam layer) sa velikim skupinama mehuravazduha medusobno razdvojenih tankim omotacem odvode (slika 3.1).

Ispitivanja na hidraulickim modelima ukazuju da se umesavini voda-vazduh u bucnici mogu razdvojiti dvaglavna regiona sa znacajno razlicitim svojstvima: (1)turbulentni smicuci region (turbulent shear region) i (2)valjak (recirculation region), u kome se odbijaneustaljeno obrnuto kruzno kretanje toka.

veliki pri velikim prilaznim Frudovim brojevima azanemarljivo mali za vrednosti Frudovih brojeva oko 2.

Uvlacenje vazduha u hidraulicki skok3.2.1.

U ovom poglavlju okvirno su izneti rezultatidosadasnjih istrazivanja u vezi sa uvlacenjern vazduha uskok, koncentracijom ukupno rastvorenog gasanizvodno od brzotoka i oscilatornim osobinama skoka.

Pod nekim uslovima ispoljavaju se oscilatorne osobineskoka (periodicna promena tipa skoka i horizontalnopomeranje pocetka skoka) koje mogu da uticu nadimenzije bucnice, posebno na njenu duzinu.

Hidraulicki skok uvlaci znatne kolicine vazduha izatmosfere u vodni tok. Rasipanje uvucenih paketavazduha u recirkulacionom regionu skoka (valjku)znatno pojacava turbulentni karakter toka i aktivno uticena povecanje rasipanja energije u bucnici. Opitima jeustanovljeno da je uticaj uvucenog vazduha II skok

Hidraulicke i konstruktivne karakteristike bucniceuglavnom odreduju sledece karakteristike hidraulickogskoka:• tip bucnice• drug a spregnuta dubina• duzina skoka i duzina valjka• gubitak energije• turbulentne karakteristike• uvlacenje vazduha u skok i• koncentracija ukupno rastvorenog gasa

U praksi je cesto prisutna i naklonost projektanta nekomtipu bucnice sto je prihvatljivo sarno u slucaju kada jemoguca primena vise od jednog tipa, istih ucinaka ipriblizno istih troskova izgradnje.

Hidraulicke dimenzije svakog od navedenih tipovabucnice su jasno defiisane u hidraulickoj literaturi, atakode i njihov ucinak. Ono sto jos nije dovoljnoispitano i standardizovano jesu pulzacije pritisaka ivibracije kao posledica velike turbulencije toka unutarbucnice. Zbog toga su problemi na koje se nailazi u tokuprojektovanja ovih objekata vise konstruktivne negohidraulicke prirode.

184 VODOPRIVREDA 0350-0519, 39 (2007) 228 p. 181-203

Zivodar ErCic Primena rezultata savremenih hidraulickih istrazivanja u projektovanju preliva visokih brana

•GRAN1CNl SLOJ

PODREG10NVELlKE{;ZBFRKANOSTI

ZAHVATANJEVAZDUHA

PODREGIONPENE

.............._-_.......__......._.._-..DVZlNA VALJKA L r

x

"f.... .. - _ - _ . - _ .._ _ _- .._--_ __.- __.__._-_.._-----_ ..DUZlNA OVAZDUSENJALa

Slika 3.1. Regioni u klasicnom hidraulickom skoku [2]

U literaturi [12] prikazane su sledece jednacine naosnovu kojih se moze proceniti ukupna kolicinavazduha uvucenog u hidraulicki skok:

Kolicina uvucenog vazduha u skok i distribucijamehurica veoma zavisi od karakteristika dolazeceg toka.Za hidraulicki skok u kanalu pravougaonog poprecnogpreseka sa horizontalnim dnom razlikuju se tri tipadotoka: (l) parcijalno razvijen tok sa razvijajucirngraniicnirn slojem i kvazi potencijalnirn jezgrorn iznad,(2) potpuno razvijen granicni sloj po celoj dubini toka i(3) prethodno ovazdusen tok sa potpuno razvijenimgranicnim slojem i sa ovazdusenorn slobodnompovrsinorn. Prva dva slucaja su moguca sarno ako jeduzina prilaznog toka dovoljno kratka. Za bucnice nakraju tranzitnog dela preliva visokih brana prilazni tokje skoro po pravilu sa ovazdusenom slobodnompovrsinorn. Generalno, za hidraulicki skok sa potpunorazvijenim granicnim slojem u prilaznom toku (slucaj 2)kolicina uvucenog vazduha je veca nego za slucaj (l).Medutim, parcijalno razvijen tok sadrzi vecukoncentraciju vazduha pri dnu. U prethodno prirodnoovazdusenorn toku distribucija vazduha po dubini tokaje uniforrnnija od distribucije u toku sa potpunorazvijenim granicnim slojem.

,B =!h. = O. 18[F, - 1)"245

«.(3.1 )

(3.2)

gde su:q., qw - specificni protoci vazduha, odnosno vode(m3/sek/m)

Obe gornje forrnule vaze za 2.5 < F, < 9.

Evidentno je rasipanje eksperimentalnih tacaka (~, F l )

na osnovu kojih su izvedene gornje forrnule kao i znatnaodstupanja vrednosti ~ za velike vrednosti Fl' Ovoukazuje na izvestan stepen neopuzdanosti priproceni vrednosti qa, odnosno na potrebu dodatnihistrazivanja,

Ispitivanja raspodele koncentracije vazduha i rasp odelebrzina u vertikalnirn presecirna klasicnog hidraulickogskoka uglavnorn su se ogranicavala na advektivnodifuzni region (turbulentni srnicuci region) i gornjiregion valjka i to pri delimicno razvijenom prilaznomtoku. Rezultati ispitivanja su detaljno prikazani uradovima [2], [13], [14] i [15]. Serna hidraulickog skokasa delimicno razvijenim prilaznim tokom prikazana jena slici 3.1. Serna raspodele koncentracije vazduha ibrzine dataje na slici 3.2.

VODOPRIVREDA 0350-0519, 39 (2007) 228 p.181-203 185

Primena rezultata savrernenih hidraulickih istrazivanja u projektovanju preliva visokih brana Zivodar ErCic

y

DISTRlBLCIJAVAZDUI-IA

Cma.x C

DlSTRIBFCUABRZ~E

Slika 3.2. Serna raspodele koncentracije vazduha i brzine

Koncentracija eksponencijalno opada nizvodno prernaodnosu

U radu [2] ustanovljeni su sledeci empirijski odnosi pridelimicno razvijenom dotoku pri F 1 = 2.89 i 8.04 ::

(3.11)

(3.10)(YSh / h]) =1+0.199 [(x - XI) / hI]

U gornjoj jednacini je:

V J, h, - brzina i dubina vode na pocetku skokah, y - horizontalne i vertikalne udaljenosti ukoordinacionom sisternu na slici 3.1D] - tubulentna difuznostY sh - gornja granica advektivno-difuznog regiona

(3.4)

Maksimalna koncentracija na pocetku skoka je:Jednacine 3.10 i 3.11 vaze za (x - XI )h] ~ 28.7

(C ma,) = 0.143 (V[ - 0.2 l) (3.5)(b) Region valjka

Duzina ovazdusenog dela skoka je:

(3.6)

(3.7)gde je:erf(u) - Gausova funkcija greske

(3.8)

U ostalim navedenim radovima prikazuju se rezultatiispitivanja na vecem broju uzoraka i vecem intervalupromene F; Prikazane su raspodele koncentracijevazduha u advektivno-difuznorn regionu i gornjemregionu valjka.

(a) Advektivno-difuzni region

U jednacini (3.12), parametar D; -karakterise difuzioni

proces mehura vazduha u gornjoj slobodnoj povrsini

vode, a u jednacini (3.9), parametar Dr opisuje

advektivno-difuzni proces u smicucem sloju vodavazduh. Velicine oba parametra jos nisustandardizovane, a u navedenim radovirna odredene suna osnovu prilagodavanja jednacina (3.9) i (3.12)eksperimentalnim podacima.

C = Cm,,, exp~ [V/I I / 4D[][y / h. - Y c m", / h[ - Yc m", / hJ / [ex- XI) / h[]}

(3.9)

Jednacina vazi za (y / Ylh ) ~ 1

U hidraulickirn skokovima sa potpuno razvijenim ilipredhodno ovazdusenirn dolaznirn tokom, distrubucijekoncentracije vazduha su razlicite u odnosu na skokovesa delimicno razvijenim dolaznim tokom [2].

186 VODOPRIVREDA 0350-0519, 39 (2007) 228 p.181-203


moze prognozirati koncentracija rastvorenog gasa uvodnom toku nizvodno od zavrsetka brzotoka.

Najveci uticaj u procesu transfera gasa ima gradijentkoncentracije. Kada je Cs vece od Cg gas ce se rastvaratiu vodi, a kada je C, vece od Cs gas ce se izlucivati izvode.

Mehanizam rastvaranja gasa u vodi je teoretski prilicnojednostavan. Nairne, aerisani vodni tok iz brzotokauvlaci u vodnu masu u bucnici mehure vazduha koje jedoneo sa sobom kao i one koji se formiraju pri uranjanjudolaznog toka u vodnu masu. Mali mnogobrojnimehurici sa vazduhorn, nastali pod dejstvomturbulentnih smicucih napona, formiraju u bucniciregion sa vrlo velikom povrsinom dodira izrneduvazduha u mehuricima i okolne vode. Mehuri vazduha uovom regionu izlozeni su povecanom hidrostatickompritisku u dubokim bucnicarna zbog cega ispustaju uvodu svoju sadrzinu (uglavnom kiseonik i azot) koja serastvara II vodi. Povecana zasicenost vode ukupnorastvorenim gasom (TDG) iznad standardnih vrednostirnoze da izazove stetne posledice. Ali, ono sto uopisanom mehanizmu nije jednostavno, jesteodredivanje najuticajnijih faktora na kolicinurastvorenog gasa, kao sto Sll turbulentni nivo uhidraulickorn skoku, velicine mehura ispunjenihvazduhom, njihova raspodela u trodimenzionalnomprostoru bucnice i donje vode, povecana povrsina dodiraizrnedu vode i vazduha, vreme zadrzavanja mehura uhidraulickorn skoku i povecani hidrostaticki pritisak. Uovom procesu, prelaz (transfer) atmosferskog gasa uvodu kontrolise vodna faza u mesavini voda - vazduh.Transfer mase gasa kroz dodirnu povrsinu izmedu vodei vazduha obicno se procenjuje pornocu izraza

Rezultati istrazivanja raznih autora u vezi sa raspodelombrzina u vertikalnim presecima duz hidraulickog skokadetaljno su prikazani u radu [13].

Prema zakljuccima u radu [14], dosadasnje studije 0

uvlacenju i transportu vazduha nizvodno pokazuju dahidraulicki skok ostaje i dalje nedovoljno razumljivdvofazni tok sa komplikovanom strukturom strujanjamesavine voda-vazduh i velikim medusobno zavisnimuticajima uvucenog vazduha i strukture vrtloga.

S projektantske tacke gledista posebno nedostajuparametri kojima se definise kolicina i raspodelavazduha za razne tipove skokova, formiranih ubucnicama koje se najcesce koriste u praksi.

3.2.2 Koncentracija ukupno rastvorenog gasa ubucnici i donjoj vodi

Ustaljeni procenat ukupno rastvorenog gasa (Totaldissolved gas - TDG) u reci bice u ravnotezi saatmosferskim pritiskom sve dok ravnotezu ne poremetineki dogadaj, kao sto je pojava organskih materija utoku iii ovazdusenog vodnog toka. Drugi slucaj se popravilu javlja pri strujanju vode u brzotoku i bucnicipovrsinskog preliva visoke brane, a moguca posledicaove pojave je prezasicenost recnog toka nizvodno odbucnice ukupno rastvorenim gasorn, posebno azotom.Povecani nivo prezasicenosti vode gasom je zapazen uprirodi i registrovan kao negativan efekat izgradenebrane na okolinu. Posebno je stetan po riblju populaciju,ukoliko ona mora da prede iz donje u gornju voduakurnulacije, Na nekim rekama u svetu ovo jenajozbiljniji ekoloski problem, pa se nivo koncentracijeTDG u vodi stalno osmatra i, po potrebi, preduzimaju semere za sprecavanje stetnih posledica. USEPA (UnitedStates Environmental Protection Agency) je, 1986.godine, ustanovila standard za maksimalnu dozvoljenuzasicenost vode potpuno rastvorenim gasom od 110%.Shodno ovom standardu, na svim rekama u USA nakojima je ova pojava bitna, prelivi brana moraju dabudu projektovani (iii rekonstruisani) tako da nivozasicenosti recnog toka nizvodno od bucnice ne predegore navedeni standard.

d-C = Ka(C -C )dt s S s

gde Sll:

K - slozeni koeficijenat transfera maseCs - ravnotezna koncentracija TDG II vodiC~ - koncentracija TDG u vodia - jedinicna povrsina dodira vode - vazduh

(3.13)

U nasoj zemlji ova pojava nije zabelezena kao problem(na nasim branama nema ribljih staza) pa se i ne vrseodgovarajuca sistematska merenja zasicenosti recnogtoka gasom, niti se pojava uzima u obzir priprojektovanju preliva i slapista,

Ipak, u ovom radu je ukratko prikazan mehanizamrastvaranja gasa u vodi kao i metode na osnovu kojih se

VODOPRIVREDA 0350-0519, 39 (2007) 228 p.181-203

Metode na osnovu kojih se procenjuje (predvida)koncentracija TDG u vodi mogu se podeliti naempirijske i numericke metode.

U literaturi su se najpre pojavili izrazi za procenukoncentracije gasa, zasnovani na eksperimentalnojkorelaciji zapremine TDG sa nekim parametrom toka,obicno sa protokorn, pri cemu Sll obicno koeficijenti u

187

Primena rezultata savremenih hidraulickih istrazivanja u projektovanju preliva visokih brana Zivodar Erci6

U radu [2] prikazan je model za procenu transfera gasazasnovan na integraciji jednacine 3.10. Rezultatintegracije je sledeci izraz za specificni deficit (deficitratio)

U nekim numerickim modelima se koristi simulacijahidrodinamickog procesa na fizickorn modelu ali se, zasimulaciju turublentnog strujanja, u vecini publikovanihnumerickih rnodela koristi RANS sa k-s ili k-wmodelom.

Numericki modeli novije generacije uzimaju u obzir daje strujanje u bucnici dvofazno, da je najvazniji izvorTDG transferisani gas iz mehura vazduha uvucenih uvodu i da je transfer gasa iz mehura u vodu proces kojipovezuje hidrodinamicki proces i proces razmene mase. U radu [2] su takode prikazani i rezultati istrazivanja na

hidraulickom modelu nekoliko autora na osnovu kojihse moze odrediti koncentracija TDG nizvodno odbucnice.

t - vreme zadrzavanja mehura uskoku

r = (C s - Cus ) I(Cs - Cos) - specificni deficit

Ccs, CDS uzvodna nizvodna koncentracijarastvorenog gasa (kg/rrr')Cs - uravnotezena koncentracija gasa u bucnici

Numericki model zasnovan na simulaciji fizickogprocesa transfera gasa prikazan je u radu [3]. Model jejednodimenzionalan sa odgovarajucim ustaljenimstrujanjem u bucnici. Proracunava se koncentracijaTDG duz bucnice i donje vode. Analizira se transfergasa unutar tri regiona (slika 3.3): region uranjanjadolazeceg toka (region 1); region valjka (region 2) idonja voda (region 3). Svaki region ima razlicitehidrodinamicke karakteristike koje se menjaju duzskoka.

U istom radu prikazani su i izrazi na osnovu kojih semoze odrediti velicina jedinicne povrsine (a), vremezadrzavanja (t), velicina mehura i duzina aerisanog delaskoka. Uvodeci ove vrednosti u jednacinu 3.14 rnoze sepriblizno proceniti koncentracija TDG u hidraulickornskoku sa parcijalno razvijenim prilaznim tokom.

(3.14)r = exp(Kat)

gde je:

izrazima korelisani sa terenskim merenjima. Medutim,ova merenja su po pravilu realizovana za odredeneobjekte i pod specificnirn hidraulickim uslovima.Primena ovih empirijskih izraza na druge objekte iiiekstrapolirana na druge hidraulicke uslove nisu dalapouzdano predvidanje nizvodne koncentracije TDG, stoje posledica nepotpunog modeliranja fizickog procesa,tj. karakteristika toka mesavine voda-vazduh i efekataturbulencije koji su prornenljivi od slucaja do slucaja,

DONJAVODA

o oo

Slika 3.3. Tri regiona transfera prema radu [3]

~(UC) Vi-A--=(Ku 'a)I"'h(C~ -C)+(Ku .a)SU/i(lOO-C)+-, (On)

Ll.\ 1

(3.15)

odreduje za svaki inkrement pornocujednodnimenzionalne jednacine za transfer mase zanestisljivi fluid.

Transfer gasa je simuliran kroz obe dodirne povrsine:izrnedu mehura vazduha i vode koja ih okruzuje(transfer iz mehura) i izrnedu slobodne povrsine vode iatmosfere (povrsinski transfer). U regionu I je najvecitransfer iz mehura zbog velikih sila smicanja, velikekoncentracije vazduha i velikih hidrostatickih pritisaka.U regionu 1 nema povrsinskog transfera jer ovaj regionnije u kontaktu sa atmosferom. U druga dva regionaprisutna su oba vida transfera Koncentracija TDG se

gde je:C- koncentracija TDG

188 VODOPRIVREDA 0350-0519, 39 (2007) 228 p.181-203


C; - ravnotezna koncentracija u stanju zasicenostina dodirnoj povrsini mehur-voda, uzimajuci uobzir hidrostaticki pritisak

U - srednja brzina u proracunskorn koraku~x - inkrement proracuna(KL·ahub, (KL'a)sur- koeficijenti transferaCm - koncentracija TDG koji ulazi u regionVi - brzina mesavine pri ulasku u regionh - visina regiona u kome se analizira uvlacenje

vazduha

Jednacina 3.15 se resava metodom konacnih razlika sainkrementom od ~x kroz sva tri regiona. Medusobniuticaj regiona I i 2 zahteva interaciju zbog uvucenogvazduha prilazecim tokom i odvazdusavanja sve dok sene postigne zeljena konvergencija. Granicne usloveodreduje prethodni inkrement. Pocetni uslovi sukoncentracija vazduha u dolazecern toku i koncentracijastvorena pri dodiru dolazeceg toka i vodnog tela.Koeficijenti transfera mase odreduju se na osnovuforrnule koja je prikazana u radu. Koeficijenti(KLa)bub(sur) zavise od vrednosti Veberovog broja,Frudovog broja za turbulenciju i tri konstante koje seodreduju na osnovu istrazivanja na fizickorn modelu.

U radu [4] je opisan trodimenzionalni nurnericki modelza predvidanje koncentracije TDG nizvodno od preliva.Model se sastoji od dva modula: za hidrodinamickusimulaciju i za simulaciju produkcije i transporta TDG.Za potpunu trodimenzionalnu simulaciju turbulentnognestisljivog toka upotrebljen je CFD softverski paketU 2RANS za resavanje trodimenzionalnih RANSjednacina metodom konacnih zapremina. Jednacine suzatvorene standardnim k-s modelom turbulencije.Posebno je razvijen 3D modul za simulaciju produkcijei transporta TDG duz bucnice i donje vode. Jednacina zatransport TDG u turbulentnom toku izvedena je izRejnoldsove jednacine transporta. Jednacini transportaje zatim pridodata jednacina za transfer mase (3.10).Detaljniji prikaz ovog simulacionog modela iznet je unavedenom radu.

U radu [5] je predstavljen nurnericki model zaodredivanje trodimenzionalnog polja koncentracijeTDG nizvodno od brane. Koriscen je algebarski modelkoji uzima II obzir sile otpora kretanju i disperzione silei koristi modifikovani k-s model turbulencije. U modelje ukljucena jednacina za transport mehura gasa da bimogla da se proceni velicina mehura koja se menja poduticajem transfera mase mehur/voda i pod uticajempritiska. Koncentracija TDG se racuna iz dvofaznejednacine transporta, izvedene iz jednacine transferamase mehur/voda koja je funkcija zapremine gasa i

VODOPRIVREDA 0350-0519, 39 (2007) 228 p.181-203

velicine mehura. Jednacine predlozenog modela suukljucene u komercijalni kod FLUENT 6.122 II kome sekoriste raspolozivi algoritmi za visefazni tok, zasnovan ina metodi konacnih zapremina. Rad sadrzi detaljannumericki prikaz pomenutih jednacina,

U tehnickoj literaturi se navode i CriSP (verzija 6)empirijski i mehanisticki modeli za procenu procentazasicenja (saturacije) ukupno rastvorenim gaosm iznadravnoteznog stanja (100%). U svim jednacinarna ovihmodela se nalaze konstante koje se odreduju na osnovurezultata terenskih merenja, razlicitih od slucaja doslucaja. Nedostatak generalno upotrebljivih konstanticini ove metode neupotrebljivim na rekama na kojimase ne vrse kontinualna merenja vrednoti relevantnihparametara. Detaljniji opis CriSP modela nalazi se ustudiji "Dissolved Gas Abatement Study" (US ACE,WES, 2001).

3.2.3 Oscilatorne karakteristike hidraulickog skoka

Oscilatorne karakteristike hidraulickog skoka zapazeneSll kako na hidraulickim modelima, tako i u prirodi.Nairne, zapazeno je da se kod nekih tip ova skoka i pododgovarajucim hidrodinamickim uslovima (delimicnootvaranje ustava, protoci i dr.) periodicno menjaju: smerokretanja valjka, tip skoka, polozaj pocetka skoka,proces formiranja, razdvajanja i spajanja struktura tokavelike razmere i vrednosti komoponenata brzina ipritisaka. Ali, iako je ova pojava osmatrana u mnogimeksperimentima, samo mali broj istrazivaca je spominjeu literaturi.

Do danas je realizovan relativno mali broj istrazivanjaove pojave, a jedan od zadnjih je rad [16]. U radu seprikazuju ispitivanja oscilatornih karakteristika tokaizrnedu B-skoka i skoka sa talasom na modelu sa naglospustenim horizontalnim dnom. Ova studija pokazuje daje opravdano da se pri projektovanju bucnice analizirajualternativni tipovi skoka, odnosno polozaji njihovihpocetaka, s obzirom da varijacije uzvodnih i nizvodnihhidrodinamickih uslova (protoci, nivoi donje vode i dr.)mogu izazvati formiranje alternativnih skokova. Takodeje pokazano postojanje uredenog i deterrninistickogsistema, tpicnog za strukture toka cak i za takvekonfiguracije strujanja mesavine voda-vazduh, koje nepokazuju specificne, makroskopski vidljive, oscilatornekarakteristike.

Zakljucci dosadasnjih istrazivanja su sledeci [16]:

Oscilacije skoka se javljaju kada se hidrodinamickiuslovi, tipicni za analizirane konfiguracije, nalazeizmedu dva ili vise postojanih konfiguracija.

189

Primena rezultata savremenih hidraulickih istrazivanja u projektovanju preliva visokih brana Zivodar Ercic

Posto se oscilatorne karakteristike javljaju saizvesnim stepenom regularnosti, moguce je definisativremenski opseg oscilacija tipa skoka i fluktuacijepocetka skoka.

Analize oscilacionog fenomena ukazuju nakorelacionu vezu izrnedu nivoa slobodne povrsinetoka, komponenata brzine i fluktuacija pritisaka.

Periodicno formiranje alternativnih tipova skoka ifluktuacija pocetka skoka su u korelacionojzavisnosti sa strukturom vrtloga u valjku. Regularnaperiodicna pojava pomenutih oscilacija moze seopisati kao neslucajni uredeni proces, nadgraden naneuredeno i slucajno turbulentno kretanje.

Oscilatorne pojave su pracene promenom oblikaslobodne povrsine skoka u funkciji koncentracijevazduha u valjku.

Zadnja istrazivanja ukazuju na neophodnost izdvajanjaslucajnih procesa uskoku od neslucajnih, pa supotrebna nova obimna istrazivanja ovog fenomena.

Rad [17] sadrzi detaljan spisak literature 0 modelskimispitivanjima oscilatornih karakteristika skoka.

3.2.4 Izbor merodavnog (projektnog) protoka

Jedan od najuticajnijih parametara na izbor oblika idimenzija bucnice bez sumnje je velicina merodavnogili projektnog protoka. Iako ova tema izlazi iz okvirahidraulickih istrazivanja, smatra se da bi mogla da budeod koristi projektantima ovih objekata.

Naime, u dosadasnjoj projektnoj praksi bilo jeuobicajeno da je merodavani protok za bucnicu jednakmerodavnom protoku za preliv ili je nesto manji, aodredivan je na osnovu unapred izabrane verovatnoceprevazilazenja. Ucinak bucnice je zatim kontrolisan zavece i manje pro toke da bi se proverilo da li skok uvekostaje u bucnici. Projektanti su prvenstveno bilizainteresovani sarno za opstanak objekta pri prolazubilo kog protoka uz prihvatljiv nivo stete koja neugrozava opstu stabilnost bucnice, brane i nizvodnihpadina recne doline. Po pravilu, ni .opstanak" ni.prihvatljiva steta" ni .ne ugrozava opstu stabilnost"nisu bili kvantifikovani odgovarajucim inzenjerskim iekonomskim parametrima, a njihova verodostojnost sezasnivala .na osecaju" projektanta. Analizaekonomskog rizika se, skoro po pravilu, nije radila.Medutim, posto su ekscesni protoci slucajnepromenljive sa odgovarajucorn verovatnocornprevazilazenja, merodavni protok se moze, i treba, da

190

odreduje na osnovu metodologije projektovanjazasnovanog na ucinku (Performance based design).

Projektovanje zasnovano na ucinku (PBD) je koncept,ako ne nov u teoriji onda svakako vrlo savremen uprakticnoj primeni. PBD podrazumeva izradu projektaobjekata koji tokom svog zivotnog veka, stoekonornicnije i garantovano, ispunjavaju neizvesnebuduce zahteve, postavljene od korisnika objekta iprirode. Osnovna primesa je da se ciljevi i nivoi ucinkamogu kvantifikovati, da se ponasanje konstrukcije mozeanaliticki predvideti i da se troskovi za ostvarivanjezeljenog cilja ucinka mogu proceniti. Ovakav pristupornogucava razmatranje svih razloga .za i protiv" uprocesu donosenja konacne odluke.Pri tome se uzimajuu obzir svi dogadaji i troskovi 1I toku veka trajanjaobjekta, a ne sarno troskovi njegove izgradnje. U PBDkonceptu se izrazom "cilj ucinka" definise zeljeni nivoucinka objekta za svaki nivo prirodnog hazarda (velikevode, zemljotres, pozari i sl.) a izrazom .riivo ucinka"se definise maksimalno dopustiv stepen stete na objektuusled dejstva nekog prirodnog hazarda odredenog nivoapojave. Iz ove definicije sledi da su nivoi hazarda idopusteni nivoi ucinka hazarda u uzajamnoj vezi. Upraksi se, iz celokupnog spektra svih mogucih nivoaucinka, izdvajaju sledeca cetiri odvojena nivoa: nivo A- potpuno operativan iIi svrsishodan (steta zanemarljivomala, koriscnje objekta se nastavlja); nivo B operativan ili funkcionalan (manja steta, koriscenjeobjekta se nastavlja); nivo C - bezbedan po ljudskezivote (ljudski zivoti su bezbedni, stete umerene poobirnu); nivo D - objekat pod kolapsom ili preti kolaps(bezbednost ljudskih zivota je u opasnosti, steta jeogromna ali je sprecen kolaps objekta).

Na slici 3.4 je graficki predstavljena funkcija zeljenogcilja ucinka u zavisnosti od nivoa hazarda i nivoa ucinkahazarda. Nivo hazarda se obicno izrazava verovatnocornprevazilazenja,

Medutim, i gornje definicije su po neki put prilicnonejasne, neprecizne i nekvantifikovane, pa se u skorijevreme sve vise zamenjuju sa 3D konceptom (deadth smrtni slucajevi; downtime - vreme potrebno zadovodenje objekta u potpunu operativnost; dollars ekonomski prihvatljiva ocekivana godisnja vrednoststeta izrazena u novcanim jedinicama). Kvantifikovanaprobabilistika procene ove tri kolicine za svaki od nivoanekog hazarda ( na primer, zemljotresa ) moze se naci uliteraturi. Prerna saznanju autora ovog rada, takvihpodataka nema za projektne nivoe ekscesnih protoka uokviru izrade projekta bucnice prema PBD konceptu.Bilo bi pozeljno da se ove vrednosti odrede u okviru

VODOPRIVREDA 0350-0519, 39 (2007) 228 p. 181-203


Uputstva za projektovanje bucnica, slicno Uputstvu zaizbor merodavnih protoka za prelive na branarna,izdatog 2002. godine od Strucnog odbora za

hidraulicke aspekte projektovanja brana 1I okviruSrpskog (tada Jugoslovenskog) drustva za visoke brane.

~JIVD UCINKA HAZARDAA B C D

PDTPUNO BEZBEDAN PREDOPERATIVAN OPERATIVAN PO LJUDSKE KOLAPSOM

ZIVDTE

CEST~

NEPRIHVA LJIVUCIN [\K

POVREMEN ~<I:

~r vn/ ('-.f

.::::1 '-/<jOn::><1:

~~~N REDAK ~Z<r: cit .::r: he> I"it ~f)

VRLO 'C-Cfr~ I~ r-..,PSf Q

REDAK

Slika 3.4 - Funkcija cilja ucinka

II faza: hidraulicko i konstruktivno oblikovanjebucnice i pratecih zastita bar za cetiri naprednavedena protoka (bar 4 varijante bucnice),

Izbor merodavnog protoka za bucnicu prema PBDkonceptu mora da se odvija fazno 1I, recimo, sledecihpet faza razvoja.

Primena PBD koncepta podrazumeva prornenu 1I nacinurazmisljanja i rada projektanata. Najznacajnija promenaje okretanje ka procesu projektovanja u kome je realnopredvidanje ponasanja objekta i realisticka procenauticaja kojima ce objekat biti izlozen II buducnosti,glavnije od empirijskih konvenicija i konvencijazasnovanih na iskustvu.

Projektovanje bucnice zasnovano na uciku (ukljucujuci iizbor merodavnog protoka) ima izvesne specificnosti. Uovoj oblasti projektovanja, osnovni cilj je da se postignerazlozan balans izrnesu kostanja izgradnje i troskovadugorocnog odrzavanja, rehabilitacije iIi rekonstrukcije,bez povecanja rizika za ljude iIi materijalna dobra kao ibez ugrozavanja sigurnosti brane i nizvodnih dolinskihstrana.

Funkcija ciIja pri izboru optimalnog merodavnogprotoka je:

merodavnog za tu varijantu (analitickaprocena dubine erozije i, posledicno,stabilnosti bucnice, brane i dolinskih strana).

V faza: procena vremena potrebnog za popravku,procena povecanja rizika usled naruseneoperabilnosti bucnice (ljudski zivoti,materijalne stete), probabilisticka procenatroskova sanacije opstecenja, tj. ocekivanagodisnja vrednost (maternaticko ocekivanje)sanacije izrazena u .novacanajedinica/godisnje"; (ova vrednost se naziva i.ekonomski prihvatljiv rizik")

IT = min

gde je:

IT - aktualizovana vrednost zbira investicija i godisnjihtroskova sanacije

IV faza: kvantitativno odredivanje svih ostecenja nabucnici, na brani i 1I recnom koritu koja semoraj 1I sanirati, tj. dovesti 1I prethodno stanjei to za svaku varijantu posebno.

analiza i determinacija nivoa hazarda;preporucuju se sledeca 4 nivoa

~ 2 x QO.OI I QO.OOI~

I faza:

III faza: analiza reakcije svake od varijantnih bucnicana uticaj svakog protoka veceg od

Ogranicenja su iIi funkcija ciIja ucinka iIikvantifikovani parametri u 3D konfiguraciji.

VODOPRIVREDA 0350-0519, 39 (2007) 228 p.181-203 191

Slika 3.5. Funkcija cilja ucinka za bucnice

Primena rezultata savremenih hidraulickih istrazivanja u projektovanju preliva visokih brana

NIVO UCINKA HAZARDA

A B C D

CEST QO,OI <, NEPRIHVA UNUCIN K

<I: POVRn1EN 2x QO,OJ ~s:~~N

REDAK QO,OI PRIHV~TLJIV ~Z<I::r: UC NAK

VRLD Qprol'1o ~REDAK

Zivodar ErCic

Bucnice sa klasicnim hidraulickim skokom se retkokoriste u praksi jer u vecini prakticnih slucajeva dubinadonje vode varira u sirokim granicama pa skok obicnoostaje u bucnici sarno za jednu dubinu donje vode,odnosno za merodavni protok. Sem toga, duzinabucnice sa hidraulickim skokom je dosta veca od duzinedrugih tipova bucnice.

Neophodne su dodatne studije i diskusije 0 ovoj temi.

Klasican hidraulicki skok moze da ima razne izglede,zavisno od velicine prilaznog Frudovog broja (tab. 4.1).

4. BUCNICA SA KLASICNIMHIDRAULICKIM SKOKOM

dozvoljene parametre pre rna 3D konfiguraciji. Uprotivnom, ne mogu se koristiti u optimizacionoj analizizasnovanoj na ucinku.

• ljudske zrtve =neprihvatljive• prihvatljiv ekonomski rizik = 1000 $/god.

Jedna od mogucih funkcija cilja ucinka u zavisnoti odnivoa hazarda i nivoa ucinka hazarda prikazana je naslici 3.5.

Hidraulicki skok koji se formira u glatkomprizrnaticnom kanalu sa horizontalnim dnom,konstantog pravougaonog preseka, naziva se .Jclasicanhidraulicki skok", Dubina na kraju ovog skoka jednakaje dubini donje vode.

VODOPRIVREDA 0350-0519, 39 (2007) 228 p. 181-203

rUNKCIJA CILJA UCINKA ZA BUCNICE

Hidraulicke i konstruktivne karakteristike varijantnihresenja za bucnice koje se koriste u PBD procesumoraju zadovoljavati gornju funkciju cilja ucinka iii

192

Nivo C: Nema rizika od rusenja napred navedenihobjekata niti dodatnog rizika za ljude imaterijalna dobra, ostecenja velika.

Nivo D: Nema dodatnog rizika po ljude i materijalnadobra; ostecenja vrlo velika ali je analitickidokazano da nema rizika od rusenja bucnice,preliva, brane i nizvodnih kosina doline uneprihvatljivoj razmeri.

Mora se pokazati analitickirn postupcima i procenomtroskova da su gornji kriterijumi zadovoljeni a neprocenama .po osecaju" iIi "na bazi iskustva".

U dijagramu na slici 3.5, nivoima A, B, C, Dodgovaraju sledeci kriterijumi ucinka:

Nivo A: Nema rizika od rusenja bucnice, preliva,brane i nizvodnih kosina doline; nemaljudskih zrtava i nizvodnih materijaIih steta,ostecenja mala.

Nivo B: Nema rizika od rusenja napred navedenihobjekata, nema dodatnih rizika za ljude imaterijalna dobra; ostecenja srednja.

stika. 3.5

U 3D konfiguraciji predlazu se sledeci dozvoljeniparametri cilja:

• najvece prihvatljivo trajanje sanacje =period izrneduzavrsetka povodnja i prognoznog pocetka povodnja usledecoj godini


Duzina valjka uskoku defiisanaje izrazima [1]

Duzina skoka, definisana kao rastojanje izmedu pocetkaskoka i tacke u kojoj mere zastite dna nisu potrebne,odreduje se iz izraza [6]

(4.5)

(4.4)

Za 4 < F I < 12 aproksimativni odnos je 1* = 6}

Slobodna povrsina skoka varira u granicama

0.2 (h; - h,) a prosecni profil je odreden izrazom

A'~ =L'~/lII =-]2+8aRtanh(F,laR ) (4.3)

gde je:

UR = 20 za h]/b < 0.1 i UR= 12,5 za 0.1 < hllb < 0.7Za F I< 6 jednacina 4.3 se moze aproksimirati izrazom

Tabela 4 1Odnos dubina

Opisni izgled RasipanjeF) vode pre i posleskoka

skoka energije

1 - 1.7 1.0 - 2.0 Talasasti skok <5%

1.7 - 2.5 2.0 - 3.1Predskok (serija

5% - 15%malih valjaka)

2.5 - 4.5 3.1 - 5.9Prelazni iIi

15o/c - 45o/c Ioscilatorni skok

4.5 - 9 5.9 - 12.0Stabilan, jasno

45% - 70%dcfinisan skok

>9 > 12.0Jasno definisan.

70% - S5%turublentan skok

gde je: ~H* - gubitak pritiska; HI = hi + V,2 12~

h-hgdeje: X = xl L~, y = ]

h; -hiRasipanje energije u klasicnorn hidraulickom skoku jejednako gubitku pritiska i moze se odrediti pornocuizraza

U sledecern tekstu se, ipak, prikazuju jednacine zaodredivanje velicine osnovnih karakteristika klasicnoghidraulickog skoka s obzirom da se one cesto koristekao referentne za odgovarajuce vrednosti drugih tipovahidraulickog skoka. Sve karakteristike klasicnoghidraulickog skoka oznacene Sll zvezdicom C').

Odnos spregnutih dubina u ovom tipu skoka je osnovnakarakteristika svakog tipa hidraulickog skoka, a zaklasican hidraulicki skok odreden je dobro poznatimizrazom

y = tanh (1.5X) (4.6)

(4.7)

(4.2)

(4.1)Raspodela brzine u bilo kom vertikalnom preseku

odredena je, za 0 < Z < 1, izrazom

(4.9)

(4.8)U = [cos(1 OOz)y

18Um = exp (-2X )

gdeje

U = (u- u,J/(u17I -US)2 Z = (z - gJ/(h - gJz - vertikalno rastojanje od dna; Us - brzina na povrsiniskokaUm - maksimalna brzinax - rastojanje od pocetka skoka

X=xlL'~

Maksimalna standardizovana brzina u pravcu strujanja,

Om = (u., + V2 ) I(VI - V;) , odreduje se iz izraza

Za F]>2 jednacina 4.1 se moze aproksimirati izrazom[6]

Smicuci naponi u dnu bucnice uticu na odnos v', aodgovarajuci izrazi su navedeni u [11 i [8]. Ipak,

eksperimentimaje utvrdeno da za F I<10; (h/b)<O.1 (bsrina bucnice) i q>O.1 nr'zsek/m naponi srnicanjazanemarljivo malo uticu na vrednost v' prema izrazu4.1.

Y*=h;lhl=~[(l+8FI2)1/2_]]

gde su:

F 1=V 1/(gh l ) I/2 - Frudov broj na pocetku skoka

h., h; -dubine bode na pocetku i kraju skoka (prva i

druga spregnuta dubina)

VODOPRIVREDA 0350-0519, 39 (2007) 228 p. 181-203 193

Primena rezultata savremenih hidraulickih istrazivanja u projektovanju preliva visokih brana Zivodar Ercic

Maksimalna povratna brzina je jednaka povrsinskojpovratnoj brzini za X > 1.

Maksimalna povratna brzina Us = uSIV2" , za 0.05 < X <

1.4, moze se izracunati pomocu jednacine

Us =-sin[CX +0.1)/1.1] (4.10)

U ovom tipu bucnice mogu se formirati sledeci tipovihidraulickog skoka, svrstani na osnovu lokacije pocetkai kraja skoka:

A skok: pocetak skoka u prelomnoj tacki

B skok: pocetak skoka na nagnutom delu a kraj nahorizontalnom delu

Debljina granicnog sloja za 0.05 < X < 1.2 definisana jeizrazom

(4.11 )

C skok: pocetak skoka na nagnutom delu a kraj uprelomnoj tacki

D skok: pocetak i kraj skoka na nagnutom delu

Gornja klasifikacijaje graficki prikazana na slici 5.1

5. BUCNICA SA NAGNUTIM PRILAZNIMTOKOM I HORIZONTALNIM DNOM

Teoretski, hidraulicki skok u ovom tipu bucnice nijeklasican hidraulicki skok jer prilazni tok nijehorizontalan.

Razlika izmedu A skoka i klasicnog skoka je sarno upravcu prilaznog toka (nagnut umesto horizontalan).Ipak, za prakticnu upotrebu je sasvim zadovoljavajucaaproksimacija A skoka klasicnnim hidraulickimskokom.

(a)"~,'

.s->... ---~.-._::::.

-; c.:;) c:

Slika 5.1. Klasifikacija skoka [6]

(a) C i D skokovi

Osnovne karakteristicne velicine hidraulickog skokatipa B, C i D detaljno su prikazane u literaturi [6] i [18].Sledi prikaz jednacine za proracun osnovnihparametara. Na slici 5.3 graficki su prikazane korisceneoznake.

izlaznim delom

8.

(5.2)

(5.1)

F = (cos 8)3/2 F =r F15 (1- 2K + tan 8) 1/2 I 5 I

Koeficijent K je faktor pada koji zavisi od F]Vrednosti K su prikazane u [18].

upustenim horizontalnim dnomprikazana je na slici 5.2.

U vecini prakticnih slucajeva dno ovog tipa bucnice sespusta ispod prirodnog dna recnog korita, sto je cinimanje rizicnom na pobeg hidraulickog skoka iz nje. Utakvim slucajevima izlazni deo iz bucnice mora da budeoblikovan tako da su proticajne povrsine u poprecnimpresecima izlaznog dela priblizno jednake proticajnojpovrsini na kraju bucnice. Ukoliko bi bile manje,formiralo bi se vestacko povecanje energetskogpotencijala na kraju izlaznog dela, sto je tehnickibesmisleno, a za takav postupak nema ni ekonomskogopravdanja. Navedeni uslov se moze ispuniti ilipostepenim povecanjern sirine dna na hidraulickiprihvatljivoj duzini izlaznog dela iii postepenimprelaskom sa pravougaonog na trapezni poprecni presekizlaznog dela. Serna bucnice sa nagnutim prilazom,

Gore navedeni tipovi skoka se obicno formiraju kada jeprirodna dubina vode u recnom koritu znatno veca oddruge spregnute dubine hidraulickog skoka.

194 VODOPRIVREDA 0350-0519, 39 (2007) 228 p.181-203

Zivodar ErCic Primena rezultata savrernenih hidraulickih isrrazivanja u projektovanju preliva visokih brana

Slika 5.2. Bucnica sa izlaznim delom

Slika 5.3. Serna koirscenih oznaka [6]

log rs = 0.027 8°

Y =(12.10°.027 8 ·F,)-(l/2)

L j / L: = exp(-4/3)B

Prihvatljive aproksimacije su:

Jednacina 5.5 vazi za tan8< 0.3, tj. 8< 17°.

Prema literaturi [20] za D skok vaze sledeci odnosipri 0°< 8 < 19° i 4 ::; F I ::; 14

(5.3)

(5.4)

(5.5)

Prema [18] odnos Y povecava se proporcionalno saduzinom Ls.

Za h2 > 1.3 h2 i tan8 < 0.3, dubina h2 moze se

izracunati iz odnosa

(5.6)

U [18] su prikazani grafikoni za proracun duzine B, C iD skoka.

U [6] su date sledece zavisnosti za B skok pri 8 = 30° i 45°.

L_I = 5.75 tan 8 + 5.7Y2

Y = 3.75E- t""8 + ('/2(F1

-3)/tanh(3.5cosB)

E=(h2-z])/h2

(5.7)

~ = (0.0778 1 27 +1.41)(F1-1) + 1

YI

gde je z, - visinski polozaj pocetka skoka u odnosu nahorizontalno dno.

U praksi je formiranje B skoka ucestalije u odnosu na Ci D skokove. Prema literaturi [20] za B skok, pri 4 ::; F] :s 14, vaze

sledeci odnosi

(b) B skok Duzina skoka za 8= 30°; 0.1 < E< 0.6 i Aj> 6 je

Aj =L/h2 =6.85 (1+114E) - (117) (F I-2) (5.8)

VODOPRIVREDA 0350-0519. 39 (2007) 228 p. 18I-203 195

BUCNICE SA NAGNUTIM DNOM

Primena rezultata savremenih hidraulickih istrazivanja II projektovanju preliva visokih brana

6.

Zivodar ErCic

L/Y2 = 4.6 (Y/Y2 - 1) + 5.7

L/Y2 = 5.75 tan 0 + 5.70- za 19°< 0< 60 °

U pomenutoj monografiji 25 [18] ovaj tip bucnice jeoznacen kao .bazen V". Svi karakteristicni parametrihidraulickog skoka mogu se odrediti pomocuodgovarajucih grafikona, sadrzanih u ovoj monografiji.

Ovaj tip bucnice se koristi u situacijama kadaekonomski i drugi razlozi nalazu da kolicina i dubinaiskopa bude minimalna, uz uslov da, za izabrani nagibdna, dubina donje vode nije manja od druge spregnutedubine hidraulickog skoka pri svim protocima. Obicnose koristi na rekama sa koritom usecenim u cvrstustensku masu. Na slici 6.1 prikazane su dye izvedenebucnice ovog tipa.

Hidraulicki skok koji se, pri merodavnom protoku,formira u ovom tipu bucnice treba da je skok tipa D sapocetkorn na uzvodnom kraju nagnutog dna.

Efikasnost bucnice sa nagnutim dnom je manja odbucnice sa klasicnim hidraulickim skokom i opada saporastom ugla nagiba (8). Priblizna vrednost gubitkaenergije (~E) je odredena izrazom:

(5.9)

[2.3 0.8]

(tan 8)°73

Spregnuta dubina Y2 racuna se pomocu izraza

Efikasost bucnice sa B, C i D skokovima je uvek manjau odnosu na bucnicu sa klasicnirn skokom Njihovaefikasnost zavisi od F I i ugla 8 i smanjuje se sapovecanjern ovog ugla. Tako, na primer, za F = 12,gubitak energije i klasicnorn hidraulickorn skoku je oko85% a u C skoku oko 61%. Analiticki izraz za gubitakenergije u C i D skokovima i odgovarajuci dijagramiprikazani su u literaturi [19].

gde je:

1- duzina nagnutog dela.

Ostali odnosi su isti kao za skok D.

Tip skoka koji se formira na nagnutom delu zavisi odnagiba dna, nivoa donje vode i rezima superkriticnogstrujanja. Tip skoka koji se formira u nagnutomprilaznom kanalu lako se odreduje pornocu dijagramana slici 5.4

1+ f~" + tan B(.~ )

E I = LtanB+ YI +V/ /2~

(6.1 )

(6.2)

Lokacije BiD tipova odreduju se na osnovu naprediznetih jednacina metodom postepenog priblizavanja,

40

gde je:

F I - prelazni Frudov broj;

YI, Y2 - vertikalne dubine vode na pocetku i kraju skoka;

L - duzina skoka

D3.0 t--- +." -- ..;....- ----i.''-

hthi

020

10'1 e

Za najnepovoljniji odnos dubine donje vode (Yt) idubine Y2, odnosno za najnepovoljniji protok, dopustase formiranje skoka tipa C. Moguca je i kombinacija sanagnutim i horizontalnim dnom ukoliko je, priprotocima manjim od merodavnog, rnoguce formiranjeA iii B skoka.

Upotreba bucnica sa nagnutim dnom je retka kodpreliva visokih brana. Mogla bi da bude ekonomskiopravdana ako je brzotok u malom nagibu na delu spojasa recnim dnom.

Slika 5.4. Tip skoka [19]

196 VODOPRIVREDA 0350-0519, 39 (2007) 228 p.181-203

Zivodar ErCic Primena rezultata savremenih hidraulickih istrazivanja u projektovanju preliva visokih brana

_____ JC~~_~_~94

• '~'.: " ;.. S:()I(}~

~,; I,~!'"' ~~~-~ =-_===-_-.:.:':~::"~:;;.::__:.-.. :'4~::~::!$BHAKRA

2

T. W. H 1196, Q~ 189,600 e.f.s,

--- -- ----------------1

TW n 24-03 Q '" 33, 2t

DICKINSON

Slika 6.1. Bucnica sa nagnutim dnom [18]

7. BUCNICE SA NAGLIM ILl POSTEPENIMPROSIRENJEM

dubine donje vode. Formiranje T-skoka u bucnici ovogtipa jedino je prihvatljivo resenje.

Bucnica sa naglim povecanjern sirine II odnosu na sirinudovodnog kanala je interesantna zbog konstruktivnekompaktnosti ovakvog tipa objekta, premda hidraulickinije povoljna.

U bucnici ovog tipa mogu se formirati tri tipahidraulickog skoka:

Odbaceni skok (R) sa burnim rezimom II prvom delubucnice

Prostorni skok (S) sa pocetkorn skoka na pocetkuprosirenja i sa generacjom oscilirajuceg cak iasimetricnog ulaznog strujanja

Tranzitni skok (T) sa pocetkorn skoka II prilaznomkanalu i telom skoka II prosirenju.

S-skok je izrazeno prostoran, nestabilan 1 izuzetnodugacak. T-skok je stabilne konfiguracije pri odredenimuslovima, ali lako prelazi II S-skok pri malom povecanju

VODOPRIVREDA 0350-0519, 39 (2007) 228 p.181-203

Odnos Y= hih l za T-skok zavisi od lokacije poc~tka

skoka (Xl =Xl / L~); i odnosa sirina (B = bib]).

Prema literaturi [6] odnos spregnutih dubina je:

qJ = (Y' - Y)/(Y -I) = ll- (II -,/13)J[I- tanh(l,9X I ) ] (7.1)

Saglasno sa ovom jednacinorn, skok sa malomvrednoscu X, i velikom vredoscu B je stabilan, dok sepocetak skoka primesta lako ako je X, veliko, a B blizujedinice.

U izrazu X, =X l / L~ je t.; =4.3h2 a x, je unapred

izabrana vrednost.

Oblast primene jednacine 7. I je ogranicen na sledeceintervale:

I:sB:s 10; 2.5< F] < 12 i 0.03 < XI < 1.5

197

Primena rezultata savremenih hidraulickih istrazivanja II projektovanju preliva visokih brana Zivodar Ercic

Skice i oznake za ovaj tip bucnice prikazane su na slici7.1.

Rezultati dosadasnjih studija pokazuju da ovaj tipbucnice ima brojne lose karakteristike u odnosu nabucnicu sa klasicnirn skokom i generalno nije podesankao efikasan rasipac energije. Premda zahteva manjudubinu vode i ima vecu efikasnost II odnosnu nabucnicu sa klasicnim skokom, ucinak joj moze bitiizuzetno los kada je odnos B veliki iii je pocetak skokablizu prosirenja,

T-skok moze postati asimetrican ako je B> 1.4 i izrazeno

asimetrican za B>2. Stepen asimetrije se znacajanopovecava sa smanjenjem vrednosti XI' Duzina T-skokaje uvek veca od duzine klasicnog skoka.

Priblizan izraz za odredivanje efikasnosti bucnice je:

Napred iznete lose karakteristike bucnice sa naglimprosirenjern mogu se popraviti ukoliko se na dnobucnice postavi poprecni centralni prag (slika 7.2) cimese proizvodi sirnetrican tok i kompaktan skok.

(7.2)

Slika 7.1. Serna bucnice sa naglim prosirenjern [6]

Jednacina vazi za F] > 2.5

Visina bocnog zida (ha) za B> 1 moze se odrediti izizraza

Disipacija energije se smanjuje skoro linearno sapovecanjem vrednosti B.

Vazne karakteristike skoka su duzine vrtloga uuglovima bucnice koje su tipicne za strujanje u nagloprosirenom toku. Za asimetricni tok duzina vecegvrtloga je obelezena sa X2 a kraceg sa x; Za simetricnitok obe teze istoj vrednosti. Velicine ovih parametarasu:

x,=2 x, / (brb 1) =5.25 (B_l)213

X2 =2 X2 / (brb)) =10 (B_l)2/3

Duzina T-skoka (L, =xl+Xj) definisana je izrazom:

L j / L~ = 1+ \II (7.4)

Slika 7.2. Bucnica sa naglim prosirenjern i pragom [7]

Bucnica sa naglim prosirenjern i pragom moze seposmatrati kao generalizovana bucnica USBR, tip IIIkoja se koristi za specificne protoke do 20 m3/s/m l

, zabrzine do 20 m3/s i za F}>4.5.

Osnovne karakteristicne velicine su sledece:

(7.7)

gde su h2S i h2 - druge spregnute dubine za skok sapragom i skok bez praga

198 VODOPRIVREDA 0350-0519, 39 (2007) 228 p.181-203


L; 1f = (1+ 'If) (0.90 - 0.02F,).! .!

gde je L* = 6h:.! ~

(7.8) Tendencija toka da buck nestabilan sprecava sepostavljanjem standardnih USBR blokova sa blokadom50%.

Optimalan polozaj praga se nalazi u sledecem intervalu

bs/b]= 1+ (114) (B-l)

x , =xsIL~ =(3/4)(SIFI ) 3 / 4

(7.9)

(7.10)

(7.11)

Relativne vrednosti dimenzija sa slike 7.3 su

Relativna blokada blokovima je

AB = S / {l+[RB-l) / (R r-1)] (Y-I)} (7.15)

Optimalnu visinu zida treba tako izabrati da budezadovoljena jednacina 7.11 kao i odnos

Polozaj tacke uranjanja toka u telo skoka varira oko

± 15% oko vrednosti Xs odredene pornocu izraza

(7.18)

(7.16)

(7.17)

y =Y [1 + A SF ]--{),]II B I

Yo = 0.3Rr + 0.65 (l + RI~l )F)

Najefikasnija lokacija blokova odredena je izrazom

Odnos spregnutih dubina je

(7.13)

(7.12)S =s 1h. < (F I-I ) 12Maksimalna visina talasa (hw) je

(7.14)

Naglo prosirena bucnica sa pragom podesna je za

koriscenje pri 1<B < 5: 3<F I:S10; 0.6<S<2; X]~0.2 i

0.I<Xs<6

Obicno se usvajaju vrednosti r], sa odgovarajucimbrojem F], x (obicno x = 0.5) i S, a racunaju vrednosti YiRr •

Tendencija toka da bude asimetrican zanemarljiva je za

F]< 6.

Skica bucnice sa postepeno promenljivorn sirinomprikazanaje na slici 7.3

Izabran ugao divergencije (a) treba da zadovoljavauslov

(7.19)

r

.~ .

Slika 7.3. Bucnica sa postepeno prornenljivom sirinom [6]

Prednosti u odnosu na bucnicu prizmaticnog oblika su:potrebna dubina vode je manja

bucnica moze biti koriscena i kada je nivo donjevode veoma prornenljiv.

8. BUCNICE SA STEPENICOM

Izgradnja bucnice sa stepenicom umesto bucnice saklasicnim hidraulickim skokom je jedan od nacina da sehidraulicki skok zadrzi u bucnici ako se nivo vodemenja 1I vecem opsegu.

Stepenica u bucnici, visine s. moze da bude izdignutaiznad dna bucnice (pozitivna stepenica ) iIi spustenaispod dna prilaznog kanala (negativna stepenica).Osnovni parametri ovog tipa bucnice Sll relativna visinastepenice S = s/h, i polozaj pocetka skoka u odnosu napocetni presek stepenice. U bucnici sa pozitivnomstepenicom mogu se formirati dva osnovna tipa skoka(slika 8.1 ).

- A-skok sa krajem valjka u pocetnom preseku stepenice(xJ=O)

- B-skok sa valjkom delimicno smestenim i uzvodno inizvodno od pocetnog preseka stepenice (x p-O).

VODOPRIVREDA 0350-0519. 39 (2007) 228 p.181-203 199

Primena rezultata savremenih hidraulickih istrazivanja u projektovanju preliva visokih brana Zivodar Ereic

A- skok

f :i!'"""" ::. .....

---_..~--.-

.......~:),,_,~) v

Xl

B-skok

Xl

Slika 8.1. A-skok i B-skok u bucnici sa pozitivnom stepenicom [6]

U slucaju da nivo donje vode znatno opadne, moze seformirati buran tok u bucnici sa stalnim talasom, sto jeslucaj koji ne treba dopustiti.

Duzina bucnice, ukoliko mogu da se formiraju oba tipaskoka, sto je najcesci slucaj u praksi, mora da bude

Spregnute dubine hidraulickog skoka medusobno Sllvezane odnosom

Skica bucnice sa pozitivnom stepenicom prikazana je naslici 8.2y=y*+~y (8.1 )

L,,=9(h2+s) (8.5)

(8.2)

gde je as = 12 -za A-skok; as = 1/12 - za B-skok

Duzina valjka je definisana izrazom:

gde je a R = 4.75 - za A-skok; a ; = 4.25 - za B-skok

Duzi na skoka j e

(8.4)

Bucnica sa pozitivnom stepenicom duza je od bucnicesa klasicnim skokom za oko 50% ako pocetak A-skokanije na nagnutoj prilaznoj deonici i ako je moguceformiranje oba tipa skoka II njoj.

U bucnici sa negativnom stepenicom mogu se formiratisledeca cetiri tipa skoka (slika 8.3).

A-skok sa krajem valjka u pocetnom presekuspustenog dnaskok sa stalnim talasomB-skok sa pocetkorn skoka II pocetnom presekuspustenog dnaminimalni B-skok sa horizontalnim burnim skokomuzvodno od stepenice i pocetkom skoka naspustenom delu bucnice

200

Slika 8.2.Bllcnica sa pozitivnom stepenicom

VODOPRIVREDA 0350-0519, 39 (2007) 228 p.181-203

Zivodar Ercic Prirnena rezultata savremenih hidraulickih istrazivanja u projektovanju preliva visokih brana

c)

Slika 8.3.Tipovi skoka u bucnici sa negativnom stepenicom [6]

Ukoliko je ivica stepenice zaobljena, izostaje pojavaskoka sa stalnim talasom, pod uslovom da je:

(8.6)

Posto je za F}< 4 efikasnost bucnice losa, maksimalnavisina stepenice ogranicena je na vrednost S = 2.

Smanjenje odnosa spregnutih dubina ~Y = v: - yiznosi:

zaAskok: i1Y=1.IS-O.074S 112(F,-I) (8.7)

za min. B-skok: i1Y = 5 1/

4 -O.35(F} -1) (8.8)

Relativna duzina valjka je razlicita za svaki od mogucitipova skoka ali se za svaki skok moze aproksimiratiizrazom

Prilikom izbora duzine bucnice mora se pretpostaviti daje moguce formiranje i skoka tipa A i skoka tipa B. paminimalna duzina bucnice treba da je Ls = 2L R. Uliteraturi [6] je prikazan dijagram na osnovu koga semoze odrediti duzina bucnice sa zaobljenim negativnimpragom.

Hidraulicki skok u bucnici sa negativnom stepenicombio je predmet mnogobrojnih ispitivanja, a saopstenja utehnickoj literaturi su kontradiktorna. Neki od istrazivaca

VODOPRIVREDA 0350-0519. 39 (2007) 228 p. 181-203

preporucuju da se odgovarajucim dimenzijama bucniceonernoguci pojava skoka sa stalnim talasom. Drugismatraju da je ovaj tip skoka povoljan, s obzirom namale vrednosti fluktuirajuce komponente ukupnogpritiska na dno, sto smanjuje potrebnu debljinu ploce nadnu, premda povecava visinu bocnih zidova bucnice.Jedan broj istrazivaca naglasava pojavu oscilatornihfenomena, posebno ciklicku promenu tipa skoka priodredenom rezirnu strujanja. Oscilatorne karakteristikehidraulickog skoka opisane su u poglavlju 3. tacka3.2.4. ovog rada. Oscilacije izrnedu dva razlicita tipaskoka su uzrok fluktuacije hidrodinarnickihkarakteristika toka u nizvodnom regionu skoka, kao stosu profil slobodne povrsine vode i fluktuirajucekomponente brzine i pritiska. S obzirom na napredreceno, potrebno je da se, najpre za merodavan protok,definisu vrednosti F} i y/y} i izabere neka pocetnavisina stepenice (s), pa zatim ponovi procedura zamanje protoke pri istoj visini stepenice. Ova procedurase ponavlja za nekoliko visina stepenice da bi seodredila optimalna vrednost ovog parametra. Procedurai dijagrami iz rada [21] znatno olaksavaju ovaj posao.Krajnji cilj je da se onernoguci pojava nezeljenihoscilatornih karakteristika hidraulickog skoka. Ukolikoovu pojavu nije rnoguce izbeci, preporucuje se da se, uprocesu projektovanja, uzmu u razmatranje svekonfiguracije toka koje se mogu ponavljati tokomvremena, sa posebnom paznjorn na nepovoljnije rezimestrujanja pod uticajem karakteristika donje vode ifluktuacije pritisaka u bucnici.

201

Primena rezultata savremenih hidraulickih istrazivanja u projektovanju preliva visokih brana Zivodar ErCic

Napred opisane pojave su razlog sto su, u procesu izradeprojekta, neizbezna hidraulicka modelska ispitivanjabucnice sa negativnom stepenicom.

Bucnice sa pozitivnom iii negativnom stepenicom retkose koriste u praksi jer je mnogo lakse postaviti pragove iblokove na horizontalnom dnu bucnice nego menjatinivoe dna u profilima stepenica.

9. BUCNICE SA PRINUDNIM SKOKOM

Ako je nivo donje vode dovoljno nizak, hidraulicki skokce se formirati negde nizvodno od bucnice.Postavljanjem dodatnih elemenata po dnu bucnice, kaosto su pragovi i blokovi, skok ce se prinudno zadrzati uprostoru bucnice i pri niskim nivoima vode. Skok,formiran na ovaj nacin, poznat je u literaturi podnazivom prinudni hidraulicki skok (forced hydraulicjump). Prinudni skok je osnovni elemenat dobropoznatih i mnogobrojnih bucnica sa hidraulickimskokom, 0 kojima je raspoloziva velika kolicinainformacija 0 njihovom obliku hidraulickimdimenzij ama.

Ovo poglavlje ne sadrzi detaljan opis najpoznatijihbucnica sa prinudnim skokom niti izraze koji definisunjihove osnovne hidraulicke karakteristike.Zainteresovani to mogu naci u mnogim publikacijama iprirucnicima. Literatura [1] sadrzi vrlo detalj an prikazobjavljenih radova u vezi sa ovom materijom.

Oblici i dimenzije najpoznatijih standardnih bucnica saprinudnim skokom su rezultat modelskih ispitivanja uUSBR laboratorijama. Kao zavrsni objekti prelivavisokih brana najvise se koriste bucnice tipa II i III.Standardne bucnice tipa II se preporucuju za branevisine do 60 m, a one tipa III za prilazne brzine do 18.0mls. Treba naglasiti da modelska ispitivanja standardnihbucnica nisu potrebna ako se koriste pod navedenimogranicenjima, Ali, prakticno iskustvo pokazuje da sestandardni tipovi USBR bucnice mogu koristiti i uuslovima prevazidenih ogranicenja, ali su tadaneophodna modelska ispitivanja. Tako se u literaturi [1]navodi iskustvo sa bucnicom tipa III na brani Ramganga(Indija). Ulazne brzine u ovu bucnicu bile su 42 mlskada, saglasno USBR preporukama, nije dozvoljenaupotreba blokova i pragova. Medutirn, ispitivanja nahidraulickorn modelu su pokazala da su brzine vode nalokacijama blokova, postavljenih na priblznomrastojanju 2,48 Y2 od pocetka horizontalnog dnabucnice, bile manje od 15.0 m/s. Preliv funkcionise veedugi niz godina, a nisu osmotrena nikakva ostecenjablokova u bucnici,

202

USACE preporucuje standardnu bucnicu, malo razlicituod USBR bucnice. Standardna USACE bucnica se mozekoristiti za F 1 :::; 9, a standardni polozaj blokova, visine1,6yj, je na rastojanju 2Y2, mereno od pocetkahorizontalnog dna bucnice.

Grafikoni i jednacine za odredivanje osnovnihhidraulickih velicina (spregnute dubine, duzina skoka,polozaj i dimenzije dodatnih elemenata u dnu) detaljnosu prikazani u literaturi [1], [6], [7] i [18].

Mediutim, za sve standardne bucnice poznate su sarnohidraulicke dimenzije same bucnice i dodatnihelemenata u dnu, ali nisu standardizovanehidrodinamicke i kavitacione karakteristike toka kojenije moguce odrediti bez odgovarajucih modelskihispitivanja. Kako su, pak, konstruktivna sigumostbucnice i sigumost od rizicnih kavitacionih ostecenja,pored ucinka bucnice, najvazniji ciljevi projektovanja,modelska ispitivanja standardnih bucnica sa prinudnimhidraulickim skokom su neophodna i ako su njihovehidraulicke dimenzije standardizovane i poznate.

LITERATURA

[1] Khatsuria, P.M., Hydraulic of Spillways andEnergy Dissipators, Marcel Dekker, 2005

[2] Chanson, H., Air-Water Gas Transfer at HydraulicJump with Partially Developed Inflow, WaterResources, Vo. 29, No. 10,1995

[3] Urban, AL., Prediction of Total Dissolved GasConcentration Downstream of Spillways, xxxIAHR Congress, Thessaloniki, Greece

[4] McCoy, A, Tre-dimensional Hydrodinamic andTotal Dissolved Gas Simylations of Rock IslandDam Spillway, XXX IAHR Congress,Thessaloniki, Greece

[5] Politano, M., Caprica P, Weber L., Prediction ofTotal Dissolved Gas Downstream of Spillwayusing a multidimensional two-phase flow model,Mecanica Computacional, Vol XXIV, BuenosAires, Argentina, November 2005

[6] Vischer, D.L., Hager W.H., Energy Dissipators,AA Balkema, Rotterdam, 1995

[7] Vischer, D.L., Hager W.H., Dam Hydraulics, JohnWiley & Sons, New York, 1998

[8] Zirong, L.i dr., Turbulence characteristics downstream of hydraulic jump, XXII IAHR Congress,Lausanne, 1987

VODOPRIVREDA 0350-0519, 39 (2007) 228 p. 181-203


[9] Abdul Khader, M.H. i dr., Turbulunet pressurefield beneath a hydraulic jump, J. HydraulicReschears 12(4), 1974

[10] Akbari, M.E i dr., Pressure fluctuations on the.floor offree and forced hydraulic jump, Int. Con].Hydraulic Modelling of Civil engineeringStructures, CI, Coventry, 1982

[11] Lopardo, R.A i dr., Physical modeling oncavitation tendency for macro turbulence ofhydraulic jump,Int.Conf. Hydraulic Modeling ofCivil Engineering Structures, C3, Coventry, 1982

[12] Wood, J.R., Air Entrainment in Free-surfaceFlows, Hydraulic Structures design manual No.4,A.A. Balkema, Rotterdam, 1991

[13] Chanson, H. i dr., Experimental Study of theair/water Shear flow in a hydraulic jump, Int. J. ofMultiphase flow, 26, (2000)

[14] Chanson, H., Bubbly flow structure in hydraulicjump, European Journal of Mechanics, BlFluids,26(2007)

[15] Gualtieri, C, Chanson H., Experimental Analysisof Froude Number Effect on Air Entrainment in theHydraulic Jump, Environmental Fluid Mechanics,5(3),2007

[16] Mossa, M., On the oscillation characteristics ofhydraulic jump, Journal of hydraulic research, Vol37, No. 4, 1999

[17] Mossa, M., Petrillo, A., A brief history of the jumpof Bidone, xxx JAHR congress, Thessaloniki,Greece, 2003

[18] US BUREC, Engineering monograph No. 25,Hydraulic design of stilling Basins and Energydissipato rs

[19] Rajartnam, N., Hydraulic Jumps, Advance inHydroscience 4, Academic Press, 1967

[20] Ohtsu, 1. i dr., Hydraulic jump in sloping channels,ASCE, Int. of Hyd. Engg. 117(7),1991

[21] Mossa, M. i dr., Tail level effects on flow conditionsat an abrupt drop, Journal of Hydraulic Research,Vol 40 (4), 2002

APPLICATION OF THE RESULTS OF CONTEMPORANEOUS HYDRAULIC INVESTIGATIONSIN THE DESIGNS OF SPILLWAYS FOR LARGE DAMS (PART TWO)

by

Zivodar ERCIC, CE.Energoprojekt, BeogradE-mail: [email protected]

Summary

In the second part of this article structures for energydissipation are described, especially cases concerningstilling basins with classical and forced hydraulic jumps.First, results of current investigations concerning thedetermination of the shape and dimensions of suchstructures are summarized. Then, methods are proposedfor the determination of the design discharge, inaccordance with performance based design concept

VODOPRIVREDA 0350-0519, 39 (2007) 228 p.181-203

(PBO). Finally, basic principles are outlined for thedetermination of air concentration and concentration oftotal dissolved gas (TOG) in the water.

Key words: classical hydraulic jump, forced hydraulicjump, aeration, total dissolved gas (TOG), designdischarge, performance based design (PBD)

Redigovano 08.12.2007.

203

pregled i primena rezultata savremenih … · kljucne reci: klasican hidraulicki skok, prinudni...

Documents