СКРИПТА проф.др Срђана Колаковића из предмета:
Literatura
• •
•
•
Osnovi Hidrotehnike G.Hajdin Mehanika Fluida,knjiga1 Fluida,knjiga1 G.Hajdin Hidrotehnicke Melioracije Melioracije S.Kolakovic Koriscenje Vodnih Vodnih Snaga osnove hidroenergetskog hidroenergetskog koriscenja voda voda B.Djordjevic Merni objekti za odredjivanje odredjivanje proticaja u otvorenim tokovima-Seminar tokovima-Seminar
1
HIDROTEHNIKA • •
•
Delatnost vezana za vodu Hidrotehnicki objekti i sistemi sistemi -projektovanje -izgradnja -odrzavanje Hidrotehnicki sistem: sistem: -Hidrotehnicki objekti -Infrastrukturna mreza
Hidrotehnicki objekti • Vodozahvati (gravitacioni,crpne stanice) • • • • • • • • •
Vestacke pregrade u vodotoku (brane) Objekti za regulaciju nivoa i proticaja na sistemu (ustave) Objekti za evakuaciju viskova vode iz odvodnog sistema u recipijent (ispust ili crpne stanice) Objekti za zastitu od poplava u ravnicarskim predelim(nasipi) predelim(nasipi) Objekti za regulaciju recnog toka t oka (obaloutvrde,naperi,traverze,pragov (obaloutvrde,naperi,traverze,pragovi…) i…) Objekti za istovar i utovar robe na plovnom putu (pristanista) Objekti za savladjivanje denivelacija na plovnom putu (prevodnice) Objekti za izravnavanje kapaciteta izvorista i potrosnje vode(rezervoari) Objekti za savladjivanje velikih padova i erozije dna vodotoka (kaskade) Objekti za ukrstanje saobracajne infrastrukture i vodnih tokova (mostovi,propusti,dikeri)
Infrastrukturna mreza mreza • • •
Cevovodi Kanali Tuneli
Podela Hidrotehnike Prema nameni hidrostatickih hidrostatickih sistema i njihovoj nameni: a)Snabdevanje vodom vodom i kanalisanje naselja(komunalna naselja(komunalna hidrotehnika,sanitarna hidrotehnika,sanitarna hidrotehnika ili vodovod vodovod i kanalizacija) a1)Vodovod-Sastavni a1)Vodovod-Sastavni delovi: -vodozahvat (povrsinske ili podzemne) -uredjaji za kondicioniranje vode(fabrika vode) -rezervoari(ukopan -rezervoari(ukopan sa crpkama,u brdu,vodotoranj) brdu,vodotoranj) -infrstrukturna mreza(cevovodi mreza(cevovodi i kanali) •
a)Kanalizacija-sistem za prikupljanje,odvodjenje prikupljanje,odvodjenje i preciscavanje preciscavanje otpadnih i atmosferskih voda naselja i industrije - slivnici - sahtovi -kanalizaciona mreza -uredjaj za preciscavanje otpadnih voda UPOV (mehanicko,hemijsko,biolosko) (mehanicko,hemijsko,biolosko)
2
b)Hidrotehnicke melioracije (melioration-poboljsanje),sistem za regulisanje vodnovazdusnog rezima u oranicnom sloju (aktivnom sloju) u cilju poboljsanja plodnosti zemljista. b1)odvodnjavanje-odvodjenje viskova vode iz oranicnog sloja -otvorena kanalska mreza -cevna drenaza -objekti na mreza (propusti,kaskade,ustave,dikeri…) -objekti za evakuaciju viskova vode u recipijent (crpna stanica,ispusti i sifon) b2)navodnjavanje-nadoknadjivanje deficita vode u oranicnom sloju -vodozahvat -razvodna mreza(cevovodi i kanali) i -uredjaji i oprema za navodnjavanje c)Regulacije reka-delatnost vezana za uredjenje minor i major korita prirodnih recnih tokova -obaloutvrde -naperi -traverze -pragovi… d)Odbrana od poplava-radovi na zastiti poljoprivrednog zemljista,objekata i ljudskih zivota od ekstremnih voda recnih tokova d1)aktivne mere-uticu na ublazavanje poplavno talasa -uredjenje recnog sliva -izgradnja akumulacija -izgradnja rasteretnih kanala d2)pasivne mere-propustaju poplavni talas nizvodno -nasipi i -kejski zidovi e)Plovni putevi-osposobljavanje prirodnih vodotokova ili izgradnja vestackih radi omogucavanja robnog transporta -regulacija prirodnih vodotokova radi obezbedjenja plovnog puta -izgradnja plovnih kanala -izgradnja prevodnica radi savladjivanja visinskih razlika u toku -izgradnja pristanista radi utovara i istovara robe f)Koriscenje vodnih snaga-vodni potencijal(energija vodnog toka) se koristi za proizvodnju elektricne energije (vrsna) koja je najjeftinija i nezagadjuje se priroda Hidrocentrale se dele: -protocne -akumulacione -revirzibilne g)Sport,Rekreacija i Turizam vezano za vodu h)Ribarstvo-koriscenje vodnog resursa za uzgoj ribe Gazdovanje vodama-zove se vodoprivreda Osnovna dva postulata su: -voda je opste dobro -vodoprivredna jedinica je sliv
3
I. VREMENSKA I PROSTORNA RASPODELA VODE I BILANSA I-1 Uvod Nauka o vodi-HIDROLOGIJA: bavi se definisanjem,odnosno,procenom kolicina vode na odredjenom podrucju kao i njihov vremenski i prostorni raspored. Sema kruzenja vode u prirodi:
E-evaporacija, je isparavanje vode sa oranice(zemljista) T-transpiracija, je potrosnja vode od strane biljaka ET-evapotranspiracija P-padavine I-isparavanje
HIDROMETRIJA-oblast hidrotehnike koja se bavi merenjem vode u hidrotehnici.Sva dobijena merenja se sredjuju i obradjuju(najcesce statisticki) Tako dobijeni podaci nam sluze za procenu kolicine i vremenske raspodele raspolozive vode na posmatranom podrucju (prosecni,max,min,ucestalost,raspodela)
4
1)Kisomer- za merenje padavina (najcesce samo dnevnih) 2)Evaporimetar-registruje isparavanje sa oranice 3)Evapotranspirometar- meri evapotranspiraciju;potrosnja vode od strane biljaka i isparavanje sa oranice 4)Vodomerna letva-sluzi za merenje nivoa u otvorenim tokovima(nivo u odnosu na apsolutnu nuli) O+R=H(mnm) 5)Pijezometri-sluzi za merenje nivoa podzemne vode 6)Potrosaci-registruju potrosnju vode 7)Isparitelji-registruju isparavanje sa vodene povrsine 8)Tenziometar Pluviograf
5
Evaporimetar
Vodomerne letve
Pijezometar
6
Dve vrste merenja: 1)U prirodnim uslovima(radi projektovanja) 2)Na izgradjenim objektima(radi upravljanja i procene rada izgradjenih objekata)
I-2 VODNI BILANS Osnovna jednacina koja nam sluzi za definisanje nekog bilansa omedjenog prostora sliva je jednacina kontinuiteta. Drugacije receno:posmatrajuci jedan omedjen prostor, doticaj u njega(povrsinski,podzemni) mora biti jednak povecanju kolicine vode u njemu, umanjen za oticaj kroz granice omedjenog prostora. Vodni bilans se radi za tacno definisan prostor i u definisanom vremenu ∆t.Da bi se mogao izvrsiti bilans elementi u bilansnoj jednacini moraju se izraziti u istim velicinama, a to su ili 1) zapremina(mˆ3);ili 2)visina vodnog stuba(zapremina po jedinici povrsine)[mm] ili 3)zapremina u jedinici vremena proticaj[mˆ3/s] P-padavine ETP-evapotranspiracij Po-poniranje vode Iz-izviranje vode Or-povrsinski oticaj rekom Op-podzemni oticaj van granica sliva
Bilansna jednacina:P-ETP-(Po+Op-Iz)=Or 2)izgradjena akumulacija
7
P- padavine direktno na vodenu povrsinu Iz-isparavanje sa vodene povrsine D-doticaj rekom Ip-ispustanje radi nizvodnih potreba C-ispust S- povrsinsko slivanje sa obala jezera ± ΔV- povecanje ili smanjenje zapremine u jezeru Nizvodno od reke minimum se mora ispustati radi bioloskih potreba Bilansna jednacina: D-C-Ip+S+P-I-Po+Iz=± Δ H Skracena bilansna jednacina: D-C-Ip=± Δ H (ostale velicine su zanemarljive u vecini slucajeva) I-2.1 Padavine Padavine su najznacajniji pozitivni element u bilansnoj jednacini. U hidrotehnici se izrazavaju visinom vodenog taloga.Za merenje padavina koristi se kisomer koji obicno registruje dnevne padavine,odnosno-svakoga dana se mere padavine u 7h.Ova merenja se prikupljaju u hidrometeroloskoj sluzbi i podaci se publikuju u hidrometeroloskom godisnjaku. P24=k*PD PD-dnevne padavine k>1→istrazivanja sprovedena u SAD ukazuju da je k~1.13 Pluviografi-uredjaji za kontinualno merenje padavina: visina,trajanje,intenzitet padavina. Trajanje kise je bitno kod projektovanja kanalizacionih sistema,gde u zavisnosti od slivne povrsine,merodavno trajanje kise je od:15-30-45(min) do nekoliko casova.U tom slucaju podatak o dnevnim padavinama je vrlo grub za proracun.Ukoliko se objekat nalazi u blizini neke stanice tada se podaci uzimaju sa nje,a ukoliko se radi o nekom velikom podrucju gde ima vise mernih stanica,za odredjivanje kolicine padavina na tom podrucju koriste se TISEN-ovi poligoni. Pluviograf
8
Tisen-ovi poligoni
Padavine se definisu visinom,trajanjem i povratnim periodom.Intenzitet je visina pale kise podeljena sa njenim trajanjem. P-visina pale kise i- intenzitet pale kise
Hijetogram pale kise- promena intenziteta padavina registrovana u svakom trenutku.
P=∫idt i=dP/dt Na osnovu hijetograma pale kise mozemo odrediti P. P=∑i*∆t Zapremina pale kise nekog podrucja: Vp=P*A
Vp- zapremina pale kise nekog podrucja P-Velicina pale kise A- povrsina posmatranog podrucja I.2.2 Vodostaj,proticajni presek i oticaj Oticaj- pod oticajem se podrazumeva kolicina vode koja je povrsinski otekla usled pale kise. 9
Vodostaj- je nivo vode u posmatranom profile vodotoka,odnosno “ proticajnom preseku”.Vodostaj se meri na “ vodomernoj letvi” a mesto na kome se obavlja merenje naziva se “ vodomerna stanica”. Nivogram- je hronoloski prikaz vodostaja tokom vremena.Citanje na letvi vodomera ne prikazuje ni kotu ni dubinu vode,ali njegovim povezivanjem sa “o” vodomera dobija se nivo u metrima nad morem(mnm).Tacnost ocitavanja je 1(cm).Ako postoji velika denivelacija(razlika u nivoima) u proticajnom preseku reke,tada postavljamo na tom profilu vise vodomernih letvi.citanje na letvi moze da bude I negativno ukoliko je “o” vodomera iznad maksimalnih nivoa reke. “Linija nivoa” je linija koja spaja vodostaje duz toka.
Vodostoj na vodomernoj letvi se meri jednom dnevno,I vrlo cesto se ne zabeleze znacajnije promene vodostaja koje su konstantne za manje vodotoke.Iz ovih razloga se za kontinualno merenje nivoa koristi limnigraf.U novije vreme za merenje nivoa se koriste kapacitativne i eho sonde.Kapacitativne i eho sonde su uredjaji koji digitalno registruju nivoe ili ih memorisu na sopstvenoj memorijskoj jedinici ili signale salju u neki centar gde se podaci obradjuju.
Limnigraf
10
Eho sonder
Proticaj-predstavlja zapreminu vode protekle u jedinici vremena. Kod vecih vodotokova proticaj se moze meriti integrisanjem brzine u proticajnom preseku. Najtacnije je proticaj meriti volumenski merenjem zapremine vode koja dotekne u neku posudu za odredjeno vreme.Zbog toga se proticaj kod velikih vodotokova meri posredno preko brzine.Za merenje brzine se koristi “hidrometrijsko krilo”. Broj obrtaja elise je povezan sa brzinom strujanja u datoj tacki,pa sledi: V=Vo+k*N Vo-brzina ispod koje se krilo ne okrece,i tada treba uzeti manje krilo k- koeficijent svakog pojedinacnog hidrometrijskog krila N-broj obrtaja krila Svako krilo se mora tarirati povremeno u hidraulickom kanalu gde je poznata brzina tecenja i utvrdjuje se koeficijent hidrometrijskog krila k.U jednom proticajnom preseku brzine se mere u vise vertikala a na svakoj vertikali treba meriti u minimum 3-5 tacaka.
11
Hidrometrijsko krilo
Hidrometrijsko krilo
12
Merenje proticaja integrisanjem brzine
U8=1/h8*(∫Udy)=1/h8*(∑((Ui+Ui+1)/2)*hi) Ui-izmerna brzina u “i”-toj tacki posmatrane vertikale U8- prosecna brzina u datom profile U*h-umnozene srednje dubine I brzine u profile
Q=∫h*Udx=∑((h*Uj+hj+1*Uj+1)/2)*∆Lj Q- proticaj u posmatranom proticajnom profilu Brzinu u nekoj tacki najcesce kod manjih kanala(npr. Hidraulickim kanalima) mozemo odrediti I pomocu Pito-cevi.
E=П+(V ²)/2g V=√(∆Z*2g) ∆Z=E - П Merenje proticaja ubacivanjem koncentracije boje u vodotok
13
Na jednom profile ubacujemo smesu sa koncentracijom”Co” I proticajem “Qo”.Nizvodno od datog profila kada smo sigurni da se koncentracija(boja) razblazila na celom profile uzimamo uzorak vode I merimo koncentraciju smese “C” Qo*Co=(Q+Qo)*C→Q=Qo*(Co/C) Ova metoda se primenjuje kod reka ponornica za registrovanje proticaja istih . Ako se raspolaze sa merenim proticajima tokom odredjenog vremena moze se graficki prikazati zavisnost proticaja od vremena I ta zavisnost se zove hidrogram.Iz hidrograma se integracijom funkcije ispod njega dobija zapremina protekle vode u analiziranom periodu .
V=∫Q(t)dt Qsr=V/T
Qsr-srednji proticaj u posmatranom vremenu
Veza izmedju vodostaja i proticaja Funkcija koja iskazuje ovu vezu a prikazuje se graficki naziva se “ kriva proticaja”(QH kriva).Potreba za odredjivanjem krive proticaja nastala je iz razloga sto je vodostaj daleko lakse izmeriti na terenu,a poznavanjem krive proticaja i izmerenog vodostaja dolazimo do hidrograma.
14
Nivogram i hidrogram su po obliku veoma slicni.QH-kriva odredjena merenjima na nekom profile moze da posluzi sve dotle dok nije doslo do geometrijskih promena tog profila usled erozije ili zasipanja ili pak u slucaju ako nije doslo do nekih drasticnijih promena prepreka u toku vode nizvodno od naseg posmaranog profila!
Do proticaja u nekom toku na nekom proticajnom profilu dolazimo na dva nacina : 1. Merenjem brzina hidrometrijskim krilom na nekom proticajnom preseku na osnovu kojih racunamo proticaj,registrovanjem vodostaja i pada linije vodenog ogledala za dati proticaj dolazimo do jedne tacke na QH-krivi.Ponavljanjem vise ovakvih merenja na datom profilu i za razlicite proticaje i nivoe definisemo (QH) krivu datog profila.Kada dobijemo ovu funkciju ona nam omogucuje da nadalje merenjem samo vodostaja odredjujemo proticaj na tom profile. 2. Drugi nacin se primenjuje kod manjih vodotokova ili kanala gde na datom profile postoji neki objekat(preliv,suzenje…).Poznavanjem matematicke funkcije izmedju proticaja I nivoa,odredjuje se proticaj. Ukoliko je proticajni profil reke pod uticajem nizvodnih poremecaja (uliv u drugu reku,izgradnja brana i akumulacija,kaskada,…),veza nivoa i proticaja se mora dopuniti i padom nivoa merenjem vodostaja ispred i iza posmatranog proticajnog profila.
15
I-2.3 Veza izmedju padavina i oticaja Veza padavine-oticaj se bazira na cinjenici da oticaj uzrokuje deo padavina koje su se slile u vodotok.Taj deo nazivamo “neto padavine” ili “efektivne padavine” .Ostali deo padavina ili ispari Ili se upije od strane zemljista (infiltrira).
Problem kod odredjivanja ove zavisnosti nastaje pri samoj cinjenici da iste padavine (iste visine) cak i na istom slivu ne uzrokuju isti oticaj,a za razlicite tokove,to je jos izrazenije.Shodno iznetom za definisanje veze padavine-oticaj potrebno je izmeriti sledece velicine: 1.na nekom profilu vodotoka potrebno je meriti vodostaj limnigrafom I potrebno je poznavati vezu vodostaj-proticaj na osnovu koje dolazimo do hidrograma u datom profilu. 2.potrebno je meriti I visinu pale kise ,registrovanu pluvigrafom u nekoj tacki sliva ili blisko nasem slivu. Povrsinski sliv 16
HIJETOGRAM PALE KISE
Kolicina pale kise na posmatranom podrucju u analiziranom P=i*tk(mnm) vremenu(velicina odredjena koriscenjem hijetograma,ranije pokazanim postupkom) Velicina sa slike: To-kasnjenje hidrograma TB-baza hidrograma
Vp=p*Fs(m³) Vp-zapremina pale kise na povrsinu sliva
Vo=∫Qdt (m³) Vo-zapremina otekle kise Ko=otekle padavine/pale padavine=Vo/Vp K-koeficijent oticaja 17
Odnos zapremine otekle vode od date kise I zapremine pale kise na dati sliv predstavlja koeficijent oticaja.Koeficijent oticaja se moze izraziti ako se date zapremine podele sa povrsinom sliva I odnosom efektivne padavine(neto) I ukupne(bruto) padavine na posmatranom slivu.
Ko=pe/p
pe-efektivna padavina
U hidrotehnickoj praksi zbog lakseg definisanja pojmova i lakseg rada stvarni zvonasti oblik hidrograma aproksimiramo trougaonim oblikom.
Velicine sa slike:
Tp-vreme podizanja maksimuma hidrograma Tr-vreme spustanja hidrograma-vreme retardacije TB-baza hidrograma R=Tr/ Tp
R≥1 18
R-koeficijent koji ukazuje na velicinu sliva,odnosno ukazuje na odnos vremena retardacije Tr i vremena podizanja Tp.Kod malih slivova u urbanim sredinama(parkinzi,asfaltne povrsine,aerodromi…) uzima se da je R=1 Kod nesto vecih,bujicarskih,slivova(povrsine:10-20 (km²)) R=1-1.3 Kod izrazito velikih slivova (Sava,Tisa,Drina,Morava…) R-se krece i do 3 Za jedan isti sliv osnovni parametri oblika hidrograma(TB ,Tp ,Tr) ne bi se smeli znatnije menjati bez obzira na intenzitet kise.Zbog toga se najcesce na ovakvim slivovima postavi pluviograf za merenje padavina i limnigraf na kontrolnom profilu (za merenje nivoa,odnosno proticaja).Merenjem padavina i oticaja u vremenskom periodu od 3-5 godina mozemo doci do zavisnosti za dati sliv izmedju padavina i oticaja odnosno mozemo doci do koeficijenta oticaja za razlicite periode godine.Naime koeficijent oticaja nije konstantan tokom godine za jedan sliv,kao sto je vec receno ranije,on osim sto zavisi od geometrije sliva i topografskih karakteristika sliva(pada terena) zavisi I od vlaznosti zemljista pre pale kise,a takodje zavisi I od obraslosti terena vegetacijom.
Merodavna kisa Kisa se definise njenim trajanjem Tk I povratnim periodom na koji se ona odnosi Tp. p(Tk,Tp) Povratno period je ekonomska kategorija,odnosno dobija se iz odgovora na pitanje koliku stetu moze da nanese data kisa.Konkretno,prelivi koji na brani sluze da private nailazak velikih voda ,usled obilnih padavina,i bezbedno ih propuste nizvodno od brane dimenzionisu se najcesce na padavine hiljadugodisnjeg povratnog perioda(jedanput u 1000 godina ce brana biti preplavljena. Merodavno trajanje kise za dimenzionisanje hidrotehnickih objekata je jednako “vremenu koncentracije sliva”(Tc). Tk=Tc Tc-je vreme za koje kisna kap pala na najudaljeniju tacku sliva dotekne do kontrolnog profila.Sastoji se iz vremena tecenja po padini I vremena tecenja u vodotoku. Tc= t1+ t2 Prirodni sliv
Trajanje merodavne kise= Tc(vreme koncentracije sistema) jer se tada u istom trenutku javi kisna kap pala I na najblizoj I na najudaljenijoj tacki sistema,odnosno aktivira se ceo sliv. Ako kisa traje duze Tk>Tc od vremena koncentracije sistema,posle vremena koncentracije sistema proticaj ostaje manje vise konstantan do trenutka prestanka te kise. 19
Tk
Vo=ko*P*Fs Vp=P*Fs P=i*Tk Vo- zapremina otekle vode ko-koeficijent oticaja i-intenzitet kise Tk-trajanje kise Fs- povrsina sistema Vp- zapremina pale kise Vo=ko*i*Tk*Fs Vo=1/2*Qmax*TB=1/2*Qmax*2Tk= Qmax* T k→ Qmax=ko*i*Fs Opisana metodologija vazi samo u slucaju idealizovanih slivova ,gde je uslovno receno-ceo sliv pravougaona tepsija sa istim uslovima tecenja za ceo sliv.Ova teorija se naziva “Racionalna metoda” i koristi se za urbane slivove odnosno kod proracuna kanalizacionog kolektora za atmosfersku vodu u gradovima.Tamo priblizno vaze pretpostavke o pravilnom izgledu sliva(ulice I kvartovi) I o istoj obraslosti(putevi,trotoari,parkinzi,krovovi).Kod prirodnih slivova ova teorija daje vece proticaje nego sto su stvarni,sto je na strani sigurnosti jer jer ne uzima u obzir akumulaciju jednog dela padavina na sliv I njeno kasnije oticanje odnosno koeficijent oblika hidrograma R>1 (Tr/Tp) ,racionalna metoda R=1
20
Hidrogram-“Racionalna metoda” i stvarni hidrogram prirodnog sliva
I-2.3 Isparavanje i transpiracija Isparavanje: -sa vodene povrsine -evaporacija(isparavanje sa zemljista na kome nema vegetacije) Isparavanje zavisi od: relativne vlaznosti vazduha i temperature vazduha i od strujanja vazduha (vetrovi). Relativna vlaznost vazduha je odnos stvarne kolicine vlage u vazduhu u datom trenutku i maksimalno moguceg zasicenja vodenom parom pri datoj temperature. Wrel.=Wstv./Wmax(t°C).(sto je veca temperatura to zasicenje moze biti vece).Shodno iznetom znaci da sa povecanjem temperature vazduha smanjuje relativna vlaznost vazduha(vece je maksimalno zasicenje),odnosno povecava se isparavanje.Vetar na isparavanje utice u smislu odnosenja vlaznijeg vazduha i donosenje suvljeg. Isparavanje sa vodene povrsine se meri sudom koji pliva na void i koji mora biti dovoljno veliki da se spreci uticaj zagrevanja suda.Orjentaciona kolicina isparavanja iznosi 700800(l/m²) vode godisnje-Vojvodina. Isparavanje iz zemljista evaporacija i transpiracija se meri-lizimetrima. Izgled-lizimetra:
21
Ukoliko nema zasadjenih biljaka u sudu- evaporacija. Ukoliko su biljke zasadjene u sudu- evapotranspiracija. Velicina evapotranspiracije za podrucje Vojvodine krece se od 700-800(mm) godisnje,pri tom treba znati da je transpiracija najveca u julu i avgustu kada je ona mesecno110130(mm).kada je temperature ≤0 evapotranspiracije I isparavanja nema.
I-2.4 Pronos nanosa,leda i kvalitet vode Nanos: -lebdeci(suspendovani) -vuceni Lebdeci-lebdi u vodiI mnogo je sitniji od vucenog nanosa.Kod lebdeceg nanosa se odredjuje njegova kolicina,granulometrijski sastav i ostale fizicko-hemijske osobine.Meri se uzimanjem uzorka vode u odredjenom mernom profilu reke i to obicno u onim tackama u kojima se merila brzina vode hidrometrijskim krilom,tako da je postupak obrade rezultata merenja vrlo slican onom objasnjenom kod merenja brzine vode.Koncentracija lebdeceg nanosa raste po dubini vode.Kolicinu lebdeceg nanosa u nekom profilu je potrebno znati npr. kod gradnje brane na tom profile da bi se moglo utvrditi kojim ce intenzitetom doci do zasipanja buduce akumulacije.Problem sa suspendovanim nanosom se javlja i kod koriscenja takve vode kao izvorista za odredjene potrebe kao sto je navodnjavanje poljoprivrednih kultura.Ukoliko se ne uzme u obzir kolicina lebdeceg nanosa moze vrlo brzo doci do zacepljenja distribucionih cevovoda,odnosno tada je potrebno predvideti filtarsku stanicu otklanjanje suspenzije iz vode.U 1(m³ ) Dunavske vode ima oko 100-130(g) peska. Uzimanje nanosa
22
Vuceni nanos -voda ga vuce po dnu,on je krupniji od lebdeceg.Ovaj nanos po dnu pokrece tangencijalni napon ili “vucna sila”.Taj tangencijalni napon se izrazava kao:
τ =γ*R*I (KN/m²) γ- tezina vode γ=9.81(KN/m³) R- hidraulicki radijus poprecnog preseka toka I-pad linije vodnog ogledala toka (koji je skoro isti kao pad dna) R= A/O
A- povrsina poprecnog preseka toka O-okvaseni obim
Kod velikih vodotokova gde je dubina vode zanemarljiva u odnosu na sirinu vodnog ogledala hidraulicki radijus je priblizno jednak dubini vode odnosno:
R=A/O=B*h/B=h.Tangencijalni napon: τ = γ*h*I Ukoliko je τ >τ kr za tu vrstu materijala od koga je sastavljeno dno recnog korita dolazi do pokretanja vucenog nanosa po dnu reke.
Kriticnu vucnu silu po “Shilds-u” mozemo racunati:
τ kr=0.05*( γ s-γw)*dsr γ s= 25(KN/m³)-specificna tezina nanosa dsr-srednji precnik zrna od koga je formirano dno Merenje protoka vodenog nanosa se vrsi specijalnim hvatacima “lopate” kroz koje voda protice a nanos ostaje.Svi regulacioni radovi na vodotoku se vecinom i rade iz razloga da se reka,odnosno njeno korito urede tako da nema potkopavanja,zasipanja,odnosno da se ne menja trasa i oblik korita i da se postigne ravnoteza na svim profilima u pogledu transportne moci korita.
•
Led na rekama
Opazanja o ledu na rekama su vrlo bitna sa aspekta plovidbe,opterecenja na objekte u toku,I odbrane od poplava. Na vodomernim stanicama se registruju podaci o “ledostaju” ili “ledohodu” 23
kao I podaci o procentu povrsine koju zauzima led,kao I podaci o debljini leda.Prema tome za svaku godinu imamo podatke o vremenskoj duzini ledohoda,ledostaja I debljini leda na osnovu kojih mozemo statistickom obradom doci do podataka koji sun am bitni sa aspekta plovidbe,opterecenja objekata. Registrovanje leda na rekama
•
Kvalitet vode
Kvalitet vode cine hemijske,bioloske I fizicke karakteristike vode.Hemijsko-bakterioloska ispravnost sa aspekta zasta ce se ta voda koristiti. Fizicke karakteristike su boja,mutnoca i temperature.Kod kvaliteta podzemnih voda prilikom gradnje konstrukcije koja zadire u podzemnu vodu treba ispitati kvalitet te vode u smislu njenog moguceg korozionog dejstva na beton i celik.Osnovni zagadjivaci su naselja koja ispustaju svoje otpadne vode(fekalne I industijske) u vodotoke ili upojna polja a da ih prethodno ne preciste.
I-3. SREDJIVANJE OPAZANIH PODATAKA Svi ovi podaci koji su prethodno mereni: nivoi,proticaji,padavine,temperature,podzemne vode,nanos… se sredjuju i statisticki obradjuju,da bi bili upotrebljivi kao podloga za kasnije projektovanje i druge analize.
I-3.1 Kriva trajanja
24
Na prethodnoj slici apscisa predstavlja stvarno(realno) vreme trajanja nekog vodostaja.Ukoliko imamo nivogram za duzi period od nekoliko desetina godina,onda obicno umesto realnog vremena na apscisi koristimo relativno vreme trajanja koje je odnos trajanja datog vodostaja kroz ukupno vreme osmatranja i *(puta) 100(%)
τ=(TRAJANJE DATOG VODOSTAJA/UKUPNO VREME OSMATRANJA)*100(%) τ -Relativno vreme trajanja vodostaja Nivogram i kriva trajanja vodostaja na Dunavu kod Panceva
Vrlo cesto nam je potrebno da znamo trajanje vodostaja u nekim mesecima ili periodima godine.Kao primer sluzi sistem za navodnjavanje koji radi u julu I avgustu ,pa nam trebaju za projektovanje vodozahvata(crpne stanice ) samo za jul I avgust a da bi se doslo do tih krivih analiziraju se po prethodnoj metodologiji nivogrami iz jula I avgusta. Postupak koji je prikazan kod odredjivanja krive trajanja nivoa moze se primeniti I kod odredjivanja krive trajanja proticaja ali se kao baza tada koristi hidrogram Q(t), a takodje I kod odredjivanja krive trajanja nivoa podzemnih voda.
25
I-3.2 Verovatnoca pojave ili prevazilazenja Kod analize nekih ekstremnih pojava kao sto su maksimalni vodostaji,maksimalni godisnji proticaj,maksimalne godisnje padavine razlicitog trajanja(minutne,casovne,dnevne) koristi se funkcija raspodele verovatnoce da bi se odredila merodavna kolicina za projektovanje. Postoji empirijska I teorijska funkcija raspodela verovatnoca. Empirijska se racuna po Viblu (Webull): P=n/(N+1) gde je: P-verovatnoca pojava n-redni broj podatka u nizu N -ukupan broj podataka,odnosno godina u kojima smo opazali datu pojavu Primer: n
God.
1
1959
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
1960 1961 1962 1963 1964 1965 1966 1967 1968 1969 1970 1971
H(mnm)
H↓
P
Tp( God )
Hmax ↓
Hmin . . . . .
Ovako dobojene podatke nanosimo na normalni ili log-normalni papir verovatnoce sa koga se moze “ ocitati” vodostaj odredjene verovatnoce ili perioda. log-normalni papir verovatnoce se koristi tada kada empirijske tacke ne leze na jednoj pravoj ako se koristio normalni papir verovatnoce.
Primer-papir verovatnoce sa nanetim podacima
26
Ako se trazi verovatnoca pojave ili povratnog perioda veceg nego sto je merni niz,na osnovu koga je odredjena empirijska verovatnoca ne preporucuje se ekstrapolacija te prave.Tada se usvaja teorijska raspodela verovatnoca(normalna,LTP-3,lg-normalna,poason). Koja funkcija je najbolja,zavisi od toga koliko dobro se slaze u datom mernom intervalu sa opazenim podacima,odnosno vrsi se testiranje hipoteze o podudarnosti empirijske I teorijske raspodele verovatnoca.Usvojena teorijska raspodela kasnije sluzi za odredjivanje veceg povratnog perioda.
27
II. HIDROTEHNICKI OBJEKTI II-1. Uvod Hidrotehnicki objekti(konstrukcije) cine hidrotehnicki upravljanje(gazdovanje) vodama ili sluze za zastitu od njih: 1)objekti za upravljanje i gazdovanje vodama su: • brane, • crpne stanice, • rezervoari, • kanali, cevovodi, • kaskade, • sifoni • 2)objekti za zastitu od voda su: • Nasipi, • kejski zidovi, • regulacioni objekti…
sisteme
koji
sluze
za
II-1.1 Glavne osobine Glavne osobine hidrotehnickih objekata po kojima se razlikuju od ostalih objekata visokogradnje(stambeni,poslovni,industrijske hale,silosi,…) I niskogradnje(putevi,tuneli,mostovi) su:
1.stalno ili povremeno delovanje vode na objekat kroz sledece oblike a)mehanicko dejstvo -hidrostaticki pritisak i uzgon u objektu I po konturi objekta -hidrodinamicki pritisak koji se odrzava preko “inercijalnih” sila,fluktacije pritiska,udara talasa I sila od vode koju je uzrokovao zemljotres -sila od leda koja moze da bude staticka I dinamicka -sufozija I bubrenje zemljista ispod I oko objekta uzrokovano dejstvom vode -erozija konture objekta usled strujanja vode brzinama vecim od 3-5(m/s) ili korozije celicnih delova koja moze da iznosi 0.02-0.06(mm godisnje) b)hemijsko dejstvo usled raznih hemijskih supstanci rastvorenih u vodi ona moze da razorno deluje na beton ili ostale delove konstrukcije c)biolosko dejstvo se ogleda u negativnom uticaju raznih organizama u vodi kao sto su alge koje se nalaze na povrsinama I smanjuju proticajni profil pa preko gnjilenja drvenih konstrukcija pa do bakterioloske korozije metala. 2.projektovanje ovih konstrukcija je znatno slozenije I zahteva detaljne istrazne radove I podloge. 3.izgradnja ovih objekata je znatno slozenije jer zahteva kvalitetno izvodjenje u otezanim uslovima kao sto je gradjenje pod vodom I to vrlo cesto tekucom(reka),gradjenje u delovima gde nema saobracaja I ostale komunikacije,u krajevima sa nepovoljnim klimatskim uslovima a pri tome ovi radovi se vrlo cesto izvode vise godina. 28
4.staticka I funkcionalna sigurnost ovih objekata mora biti velika jer posledice od njihovog rusenja mogu da budu katastrofalne,ne samo finansijske vec i u ljudskim zivotima,a sa druge strane ovi objekti su u finansijskom smislu jako skupi pa promasaji u funkcionisanju povlace sa sobom velika materijalna sredstva. 5.vecina ovih objekata se zbog konkretnih topografskih,geoloskih I drugih uslova ne moze tipski projektovati II-1.2 Podela hidrotehnickih objekata Podela hidrotehnickih objekata moze biti visestruka i to:
1.Prema mestu na kome se grade: -recni objekti(unutar i na obali) -jezerski -morski -unutar hidrotehnickih sistema(vodovodi,kanalizacije,navodnjavanje,odvodnjavanje…) 2.Prema uslovima koriscenja -stalni -privremeni Stalni objekti imaju svoj vek trajanja ne manji od 25-30 godina,a postoje primeri brana u Indiji koje traju I po nekoliko hiljada godina.Ovo podrazumeva stalno investiciono odrzavanje. Privremeni objekti grade se kao pomoc,da bi se izgradio stalni objekat(zagati,pregrade…)ili da bi se poplavio ili rekonstruisao postojeci. 3.Prema delovanju na prirodni tok I rezim vode -objekti koji menjaju razim vode(brane,nasipi,regulacione gradjevine) -objekti koji stvaraju nove tokove(kanali,cevovodi,vodozahvati,ispusti,prelivi…) 4.Prema nameni: -objekti opste namene koji imaju za zadatak uredjenje rezima recnog korita I njegovog najekonomicnijeg koriscenja(brane,nasipi,kejski zidovi) I regulacione gradjevine… -objekti posebne namene koji se nalaze na hidrotehnickim sistemima kao st o su: a)koriscenje vodnih snaga(hidroelektrane,hidrotehnicki tuneli) b)hidrotehnicke melioracije(odvodnjavanje I navodnjavanje poljoprivrednog zemljista), kanali,crpne stanice,cevovodi c)vodosnabdevanje naselja I industrije(zahvati,cevovodi,crpne stanice,rezervoari…) d)odvodjenje upotrebljenih voda(cevovodi,kolektori,kanali,UPOV) e)saobracaj navodi(kanali,prevodnice,pristanista) II-1.3 Podloge i istrazni radovi Kao sto smo ranije istakli kod projektovanja i gradjenja hidrotehnickih objekata neophodne su znacajne aktivnosti na prikupljanju potrebnih podloga i pripremi ulaznih parametara preko istraznih radova.Istrazni radovi se rade u cilju prikupljanja sto boljih geoloskih i geomehanickih podloga. a) podloge u cilju sagledavanja postojecih resursa u vodi koje se nazivaju hidroloske i 29
meteoroloske. a1 ) opste geografske i hidrografske podloge za definiciju sliva (vegetacija,vrstazemljista,padavine,temperature,vlaznost vazduha,vetrovi,ETP…) a2) podaci o merenim vodostajima i proticajima u zadnjih 20-40 godina statistickom obradom (velike vode) povratnog perioda 1000;100;50;10;2;(godine) a3) podaci o bioloskom minimumu za dati vodotok a4) podaci o nanosu(suspendovani i vuceni) a5) krive trajanja vodostaja i proticaja sa krivama verovatnoce pojave b) topografske podloge b1) situacione karte sliva i vodotoka(hidrogeografska karta) pogodne razmere 1:100 000 do 1:25 000 b2) poduzni i poprecni profil vodotoka i akumulacionog bazena(doline) c) geoloske i geomehanicke podloge ove podloge definisu osobine zemljista na kome ce se graditi objekat,tu se misli na opsta fizicka svojstva zemljista i na specificna - opsta fizicka svojstva su : granulometrija,zbijenost,ugao unutrasnjeg trenja,kohezija,nosivost,deformabilnost,poroznost,otpornost na smicanje… - specificna svojstva su : Ocena vododrzivosti akumulacije(ispucalost,privilegovani tokovi,nivoi P.V),,stabilnost bokova dolina,mogucnost koriscenja okolnog tla za izgradnju. II-2. BRANE HIDROTEHNICKI OBJEKTI II-2.1 Uvod Podizanjem pregrade na reci stvara se visinska razlika izmedju nivoa ispred i iza te pregrade.Takodje se stvara i mogucnost akumulisanja vode ispred pregrade tako da u periodima za zahvat vode iz reke za neke potrebe(vodovod,navodnjavanje…) kolicina zhvacene vode moze da bude i veca od trenutnog dotoka rekom jer imamo na raspolaganju ranije pomenutu dodatnu zapreminu vode.Osim ove prednosti izgradnja brane i tako stvorene denivelacije gornje i donje vode moze se koristiti I za proizvodnju elektricne energije.
N=Q*H*γ*η [kw] E=N*T [kwh] γ-specificna tezina vode(KN/m^3) Q- proticaj kroz turbine H-denivelacija vode ispred i iza brane η –stepen korisnog dejstva turbine, η<1 I najcesce je 0.7 E- proizvedena energija N-snaga hidroelektrane T-vreme rada turbina (h) η-predstavlja odnos iskoriscenosti energije toka u odnosu na proizvedenu elektricnu energiju Pregrade mogu da sluze i radi regulisanja uzvodnog nivoa i to u svrhu bezbedne plovidbe pri manjim vodostajima i u svrhu gravitacionog zahvata vode iz reke. Takav primer je hidrocvor Becej i brana na Tisi. 30
proizvedena na hidroelektranama je najcesce vrsna energija ,odnosno Elektricna energija proizvedena proizvodi se samo u periodima dana kada su najvece potrosnje elektricne energije. Osnovna energija (bazna) je proizvedena u termoelektranama. Brane zajedno sa akumulacionim prostorom su hidrotehnicki objekti,odnosno imaju visenamensku visenamensku ulogu u hidrotehnickim sistemima: -proizvodnja elektricne energije(vrsna energija) -akumulisanje vode za susne periode(naselja,navodnjavanje poljoprivrednih kultura,industrija) -aktivna zastita od poplava -ribarstvo -turizam i rekreacija -poboljsanje kvaliteta vode nizvodno od brane pri malim prirodnim proticajima u nekim periodima g. -plovidba pri malim proticajima(Djerdap) Brane koje sluze za proizvodnju elektricne energije mogu da budu protocne kada stvaraju iskljucivo denivelaciju,a ne akumulisu vodu. Drugi tip su akumulacione kada se u periodima smanjene potrosnje voda akumulise za period kada je porosnja struje velika odnosno odnosno kada je proticaj kroz turbine veci od trenutnog doticaja rekom. U slucaju da postoji mogucnost izgradnje akumulacije iznad postojece brane na vodotoku pojavljuje se I treci tip t ip to su revirzibilne akumulacije. U periodu kada imamo vece doticaje rekom nego sto je potrebno stvara se visak elektricne energije koji se koristi za rad crpne stanice koja pumpa vodu u revirzibilnu akumulaciju.U drugom periodu kada su doticaji mali voda se sa istom cevi vraca nazad na turbine I proizvodi dodatnu elektricnu energiju.
Tipovi brana Po svojim konstruktivnim karakteristikama,nacinu prihvatanja opterecenja od vode I prenosenja na na tlo, Brane mogu biti: biti:
1) Gravitacione 2) Olaksane 3) Lucne 4) Nasute Od prethodno nabrojanih tipova najzastupljenije su nasute i betonske brane.Statistika pokazuje da je oko 90% brana na svetu nasutih,bilo od zemlje ili kamenog nabacaja.Ovo je posledica dobrih osobina nasutih brana,pocev brana,pocev od malih zahteva za nosivoscu temelja,do obicno lako dostupnog prirodnog materijala za nasip,koje se efikasno ugradjuje mocnom mehanizacijom. Prema konvenciji Medjunarodnog udruzenja za visoke brane ICOLD,brane se po velicini mogu svrstati u:
1) Visoke brane 2) Niske brane Pod visokim smatraju se brane cija gradjevinska visina (od najnize kote temelja do krune) prelazi 15m,ako im je duzina u kruni veca od 500m,ili stvaraju akumulaciju vecu od 1 000 000(m^3),ili 31
su im evakuacioni organi organi dimenzionisani na proticaje vece vece od 2000(m^3/s). Prema nacinu evakuacije evakuacije velikih voda brane mogu biti:
1)Prelivne-kod kojih voda preliva preko posebno oblikovanog preliva(pri evakuaciji velikih voda) Preko posebno oblikovanog prelivnog dela. 2)Neprelivne-koje nisu predvidjene za prelivanje,pa se za evakuaciju velikih voda koristi poseban objekat(na objekat(na primer:prelivna primer:prelivna brana) 3)Kombinovane-kod kojih je deo brane prelivan,dok ostatak konstrukcije nije predvidjen za prelivanje (betonske (betonske brane) II-2.2 Osnovni elementi elementi brane Nezavisno od tipa,velicine tipa,velicine i namene namene vecina brana brana ima odredjene “obavezne elemente. elemente. brana-pregrada za stvaranje akumulacije. 1.Neprelivni deo brane,je sama brana-pregrada 2.Evakuacioni organ je objekat koji omogucava kontrolisanu evakuaciju velikih voda(moze biti u sklopu brane brane ili nezavistan nezavistan objekat) 3.Umirivac energije je sastavni deo evakuacionog organa,koji sluzi da umiri energiju prelivne vode,da vode,da ne bi doslo do potkopovanja potkopovanja temelja,i temelja,i rusenja brane. brane.
4.Temeljni ispust omogucava praznjenje akumulacije i ispiranje nanosa. 5.Temelj sacinjava sredina(stena ili tlo) ispod i oko objekta,koja je usled opterecenja i prisustva vode,kao vode,kao i usled geotehnickih geotehnickih radova(injektiranje,dreniranje),p radova(injektiranje,dreniranje),promenila romenila naponsko i fizicko stanje. 6.Kruna brane je horizontalna “traka” na vrhu brane duz koje je omogucen saobracaj preko brane. 7.Drenazni sistem omogucava smanjenje uzgona u brani i temelju,i kontrolisano odvodjenje provirne vode iz brane i temelja.Sastoji se od drenaznih busotina,galerija(po potrebi,pumpi potrebi,pumpi i neophodne opreme),ili slojeva tucanika zasticenog filtrom,zavisno od tipa brane i tipa drenaze. 8.Injekciona zavesa i/ili zastor sprecava ili produzava put provirnoj vodi,cime smanjuje uzgon i provirni proticaj kroz branu I temelj. 32
Pored nabrojanih elemenata same brane treba pomenuti:
9.Nanos koji se,kako je napred objasnjeno,ne moze izbeci,i na koji uvek treba racunati. 10.Akumulacioni basen zbog koga se brana gradi II-2.3 Izbor pregradnog pregradnog profila Izbor pregradnog profila -mesta na kome ce se brana podici-je prvi zadatak pri projektovanju svake brane,s obzirom da mesto brane odredjuje mogucu zapreminu akumulacije i velicinu sliva,a time i hidroloski potencijal raspoloziv za mogucu potrosnju.Uz to,geoloske i geomehanicke osobenosti tla na mestu pregradnog profila bitno uticu na uslove fundiranja koji su jedan jedan od najvaznijih najvaznijih cinilaca za odredjivanje odredjivanje tipa brane.Zato brane.Zato je neophodno neophodno da izabrani profil bude optimalan. Najvazniji cinioci pri izboru izboru pregradnog pregradnog profila (profila brane) brane) su : 1.Kolicina vode na profile(koja,uz odgovarajuce izravnanje,treba da zadovolji zahteve korisnika).Da bi se utvrdila kolicina vode neophodni su pouzdani hidroloski podaci kojima se dokazuje postojanje ocekivanih proticaja-niz srednjih mesecnih (nedeljnih) proticaja za period od najmanje najmanje 20 godina (pozeljno (pozeljno je 40 i vise godina) godina) Pored kolicine vode bitan je i kvalitet, pa pa se odgovarajucim odgovarajucim analizama mora utvrditi: a) da da li je voda dobra dobra za koriscenje b) da da li je voda agresivna agresivna za objekat objekat 2.Topografija terena terena koja odredjuje: a) Zapreminu od visine brane H (sto veci odnos V/H to bolje). Zapreminu akumulacije ,V, zavisno od b)Sirinu pregradnog profila (duzinu brane),od cega zavisi zapremina brane,a cesto i tip i kostanje brane c) Dispoziciju organa,zahvata,I ostalih objekata. Dispoziciju (raspored) i tip brane i evakuacionih organa,zahvata,I Psto je odredjena makro lokacija,brana se najcesce projektuje nesto nizvodnije od najuzeg preseka doline. doline. Ovim se omogucava bolje upiranje bokova objekta na strane doline.
3.Geoloski i geomehanicki geomehanicki uslovi koji utvrdjuju: a)Stanje sredine za temelj brane i temelje pratecih pratecih objekata. Neophodno je odrediti otpornost na smicanje,nosivost,deformabilnost smicanje,nosivost,deformabilnost i vododrzivost sredine.Ove osobine su cesto kljucne pri izboru mikrolokacije pregradnog profila,kao i pri odredjivanju najpovoljnijeg tipa brane. b)Vododrzivost b)Vododrzivost akumulacije moze potpuno kompromitovati lokaciju,a takodje se mora voditi racuna i o stabilnosti bokova akumulacije (treba imati na umu akumulaciju Vajont gde je cello brdo skliznulo u akumulaciju,izazvalo akumulaciju,izazvalo katastrofalni poplavni talas) 4.Dostupnost gradjevinskih materijala odgovarajuce kolicine i kvaliteta.Laka dostupnost odredjenog materijala utice na cenu,i moze da ima presudan uticaj na izbor profila za branu,kao i tipa brane. saobracajnica. 5.Troskovi eksproprijacije eksproprijacije zemljista i izmestanje naselja,industrije i saobracajnica. 33
6.Ekoloski,kulturni i politicki cinioci. II-2.4 Izbor tipa brane Izbor tipa brane tesno je povezan sa izborom pregradnog profila.Za odredjeni profil (sa svojim topografskim,hidroloskim,geoloskim, i geomehanickim osobinama),trazi se tehnicki i ekonomski najpovoljniji tip brane.(i ovde ponekad uticu drustveno-politicki cinioci,ili ekologija,sto moze da izmeni ekonomsku odluku.) Da bi se moglo diskutovati o izboru tipa brane,neophodno je kratko upoznavanje sa prednostima i nedostacima najzastupljenijih tipova brana(betonske:lucne i gravitacione,i nasute:zemljane i kamene).
Prednosti nasutih brana su: a)Minimalni zahtevi za uslove fundiranja (narocito kod zemljanih brana),kako sa gledista nosivosti,tako i sa gledista sleganja. Prilagodljivost gotovo svim vrstama terena ,kako geoloskim tako i topografskim:od stene do aluviona,od siroke ravnicarske doline do uske klisure (naravno pod uslovom da se moze obezbediti proctor za evakuaciju velikih voda). b) Mogucnost koriscenja raznovrstnog i heterogenog materijala za nasip ,cesto raspolozivog u blizini pregradnog profila. c)Jeftino i brzo ugradjivanje koriscenjem mehanizacije,sto zajedno sa prethodnim,omogucava malo kostanje po jedinici zapremine brane. Mane nasutih brana su: a)Velika osetljivost na prelivanje (spoljasnju eroziju) b)Velika osetljivost na nekontrolisano procurivanje i ispiranje materijala (unutrasnja erozija) c)Kao posledica prve dve mane: za evakuaciju velikih voda ,kao i za temeljni ispust i zahvat potrebni su posebni betonski objekti van tela nasipa,a evakuacioni organ mora se dimenzionisati na veci proticaj nego kod betonskih brana zbog osetljivosti nasipa na prelivanje. d)Veliki obim radova usled blagih kosina uzvodnog I nizvodnog lica,sto se cesto nadoknadjuje niskom jedinicnom cenom. Prednosti betonskih brana su: a) Znacajna izdrzljivost na prelivanje i procurivanje ,sto omogucava da se evakuacioni organi i zahvati grade u sklopu same brane ,kao i da se dimenzionisu na manji proticaj(sto smanjuje kostanje). b)Utrosak male kolicine materijala u odnosu na nasute brane,s obzirom na daleko strmiji nagib kosina,posebno kod lucne brane. Mane betonskih brana su: a) Visoki zahtevi za uslove fundiranja (visoka nosivost i otpornost na smicanje,a niska deformabilnost). b) Visoka jedinicna cena ,s obzirom na potrebe dovozenja cementa,ponekad i agregata,i na relativno spor rad,koji zahteva brojniju radnu snagu nego u slucaju nasutih brana. c) Kod lucnih brana se,pored stabilnosti bokova i dna doline ,zahteva jos i odgovarajuci odnos visine brane i sirine doline (jer je zbog nacina prenosenja opterecenja lucna brana podesna samo za relativno uske doline). 34
II-2.5 Uzroci rusenja brana Brane se mogu srusiti,rusenja su se,nazalost desavala u proslosti. Najvazniji uzroci rusenja brana su:
1.Nepredvidjeno prelivanje brane Do prelivanja brane moze doci usled kvara na ustavama,ili greske pri upravljanju ustavama ,ili usled nedovoljnog kapaciteta evakuacionih organa .Betonske brane se u tom slucaju mogu “prevrnuti” (tacnije “odlomiti” i smaknuti),a nasute brane stradaju od progresivne erozije tela brane. Da bi se izbeglo prelivanje brane neophodno je:
a) Obezbediti pouzdane hidroloske podloge i racunati sa poplavnim talasom odgovarajuce velicine b) Ispravno odrediti tip i kapacitet evakuacionih organa,i takav kapacitet postici pravilnim izvodjenjem i odrzavanjem objekta. c) Ako se za evakuaciju velikih voda koriste prelivi sa ustavama,obavezno je predvideti vise pogonskih mehanizama,rezervna prelivna polja (za slucaj da neka od ustava otkaze),kao i odgovarajuci nacin upravljanja ustavama i osigurati bezbedan prilaz ustavama 2.Unutrasnja erozija materijala brane ili njenih temelja Nedovoljno poznavanje osobina materijala na kome se brana fundira ili material od koga je brana Izgradjena,kao I neodgovarajuci tretman temelja I tela brane moze dovesti do nekontrolisanog prelivanja vode kroz temelj ili telo brane,sto izaziva ispiranje(unutrasnju eroziju) materijala,I konacno rusenja objekta.Cesto se javi “privilegovan” put vode pored cevi temeljnih ispusta ili drugih “stranih” tela u nasipu brane . Zato je neophodno: a)Sto potpunije poznavanje osobina sredine u kojoj se brana temelji,kao i materijala od koga se brana gradi. b)Izbegavati resenja koja bi mogla da izazovu nekontrolisano procurivanje (cevi u telu nasipa brane) c)Ispravno izvodjenje,osmatranje i odrzavanje svih osetljivih mesta gde bi mogao da se stvori “privilegovan” put vode,ako je vec neophodno da se takva mesta (slabe tacke) uopste projektuju. 3.Neispravan staticki proracun prilikom projektovanja brane Najcesce je u pitanju zanemarivanje ili potcenjivanje nekih od sila koje narusavaju stabilnost brane-sile uzgona u prvom redu. Na svim znacajnijim branama ugradjuju se uredjaji preko kojih se osmatra ponasanje brane u toku eksploatacionog perioda (uredjaji za oskultaciju).Beleze se sleganja brane,nastanak i sirenje prslina i pukotina u brani i temelju,proviranje i pritisak vode,I slicno. 35
Pracenje i analiza osmotrenih velicina omogucava da se na vreme uoce,i po mogucstvu otklone,uzroci ostecenja ili rusenja brane.Takodje,trebalo bi uporediti stvarno ponasanje brane i temelja sa rezultatima proracuna iz projekta,cime se stice dragoceno iskustvo za buduce objekte. Da bi se ublazile posledice eventualnog rusenja brana,prema propisima mnogih drzava (ukljucujuci I nasu) za svaku visoku branu obavezno je proceniti (fizickim ili matematickim modelom) prostiranje poplavnog talasa koji nastao usled rusenja brane,I na terenu obeleziti granicu ugrozenog podrucja odakle se stanovnistvo mora evakuisati u slucaj da dodje do opasnosti od rusenja brane.
II-2.6 Betonske gravitacione brane Betonska gravitaciona brana suprostavlja se spoljasnjim silama sopstvenom tezinom .I nasute brane formalno spadaju u tip gravitacionih brana,jer se opterecenju suprostavljaju tezinom,ali je uobicajeno da se termin”gravitacione”odnosi na betonske brane,pa ce se tako I ovde postupiti. Gravitacione (betonske) brane grade se na tlu koje ima dovoljnu nosivost da primi tezinu brane I opterecenja koje brana prenosi u temelj.
sl.1 Poprecni presek gravitacione brane ima oblik priblizno pravouglog trougla,sa duzom katetom kao uzvodnim licem.Ovakav oblik preseka proizilazi iz uslova stabilnosti,o cemu ce biti reci kasnije. Po pravilu ove brane su prelivno-neprelivne ,sto znaci da se jedan deo brane (prelivni deo) oblikuje se tako da se preko njega voda moze slobodno ili kontrolisano prelivati u nizvodno korito.Sta vise,gravitacione brane se cesto koriste kao prelivni objekti (evakuacioni organi) nasutih brana.
Betonska gravitaciona brana
36
Betonska gravitaciona brana
II-2.6.1 Opterecenja koja deluju na gravitacionu branu Prvi zadatak pri dimenzionisanju brane je da se odrede opterecenja koja na objekat deluju (analiza opterecenja). Najvaznija opterecenja kod brana su:
1)Hidrostaticki pritisak na uzvodno i nizvodno lice brane 2)Uzgon(porni pritisak) 3)Dinamicki pritisak vode usled vetra i talasa 4)Pritisak leda 5)Pritisak nanosa 6)Sile od zemljotresa 7)Tezina brane (i temelja) 37
8 )Reakcija brane (temelja)-sila iste jacine I pravca,a suprotnog smera od rezultante spoljnih sila (nabrojanih od 1-7)
Obicno se opterecenja klasifikuju . a) Osnovna (sva navedena opterecenja pri normalnim pogonskim uslovima,izuzv zemljotresa) b) Dopunska (uticaj temperature,od tecenja I skupljanja betona,od deformacije temelja isl.) c) Izuzetna (sva navedena opterecenja,ali izuzetne jacine) i zemljotres d) U toku gradjenja e) U toku pregleda i popravki Gravitacione brane se grade kao niz vertikalnih konzolnih nosaca medjusobno razdvojenih razdelnicama Zato je svaka konzola (lamela) brane nezavisna I mora da bude za sebe stabilna.S obzirom na malu sirinu konzola (obicno 6 do 16(m)),moze se smatrati da je zadatak ravanski,pa se opterecenja i stabilnost izrazavaju i racunaju za 1 metar duzni brane.(lrac= 1m). Obicno se analiza opterecenja sprovodi za presek sa najvecom visinom,a po potrebi se analiziraju I drugi preseci (u osloncima,ili na mestu promene uslova fundiranja) Preglednosti radi,uobicajeno je da se svaka od razmatranih sila rastavi na horizontalnu i vertikalnu komponentu,odakle se dobija horizontalna i vertikalna komponenta rezultante svih sila.Pri analizi opterecenja je pogodno “figure” kojima se predstavljaju pritisci,tezine,ili uzgon izdeliti na proste geometrijske oblike (trougao,pravougaonik,deo kruga i sl.).
sl.2 •
Hidrostaticki pritisak
Hidrostaticki pritisak,odnosno sila hidrostatickog pritiska,je najznacajnije opterecenje koje deluje na branu.Ovo je takozvani spoljni pritisak vode (unutrasnji pritisak vode je uzgon porni pritisak). Prema osnovnoj jednacini hidrostatike,hidrostaticki pritisak u nekoj tacki tecnosti jednak je visinskoj razlici pijezometarske kote i polozajne kote posmatrane tacke,pomnozeno sa spacificnom tezinom vode ,γw.Ako je tecnost u dodiru sa atmosferom,kao na slici,pijezometarska kota je ujedno i kota slobodne povrsine tecnosti ( П=ZG ),pa je hidrostaticki pritisak jednak dubini vode u tacki pomnozeno sa specificnom tezinom ( p=γw*h).Treba imati na umu da je ovo tzv.relativni pritisak,kod koga se izostavlja uticaj atmosferskog pritiska (pritiska sloja vazduha iz atmosfere),za razliku od apsolutnog pritiska,gde se ukljucuje i atmosferski pritisak ( pabs=p+patm).U praksi se najcesce radi sa relativnim pritiskom,s obzirom da prakticno isti atmosferski pritisak deluje u svim tackama objekata.
38
Pritisak integrisan po povrsini na koju deluje daje silu hidrostatickog pritiska-hidrostaticku silu.Hidrostaticke sile se racunaju po nacelima hidrostatike.Horizontalna komponenta, P ,hidrostaticke sile na neku povrsinu jednak je hidrostatickoj sili na vertikalnu projekciju te povrsine,upravno na pravac dejstva trazene horizontalne komponente.Vertikalna komponenta, F ,hidrostaticke sile na povrsinu jednaka je tezini tecnosti u zapremini izmedju razmatrane povrsine I horizontalne projekcije povrsine u ravni pijezometarske kote.
sl.3 Za ravanski zadatak treba odrediti silu koja deluje na jedan duzni metar povrsine,jer je opterecenje isto u svim ravnima upravno na razmatranu povrsinu.Tako je horizontalna komponenta hidrostaticke sile po jedinici duzine na uzvodnom licu brane, PG (Indeks “G” oznacava gornju vodu),jednaka povrsini trougla koji predstavlja raspored pritiska po dubini,pomnozen sa specificnom tezinom vode:
PG= w*HG^2/2 Gde je dubina gornje vode, HG,merena od nivoa vode ispred brane do kote spojnice na kojoj pocinje filtracija(na prethodnoj slici filtracija pocinje na uzvodnoj ivici temeljne spojnice).Sila PG deluje na rastojanju od 1/3 HG,od kote na kojoj pocinje filtracija (u tezistu povrsine opterecenja koje sila predstavlja-zamenjuje).Horizontalna komponenta hidrostaticke sile na uzvodnom licu, PD (horizontalna sila od donje vode),je:
PD= w*HD^2/2 a deluje na rastojanju od 1/3 HD iznad kote spojnice na kojoj se filtracija zavrsava (nizvodna ivica temeljne spojnice na prethodnoj slici) Vertikalna komponenta hidrostaticke sile (po jedinici duzine) na uzvodnom licu brane je:
FG= w*VG I deluje u tezistu “zapremine“-povrsine,VG,(u tezistu trapeza),a vertikalna sila na uzvodnom licu je:
FD= w*VD I deluje u tezistu trougla iznad nizvodnog lica.
39
sl.4 Kod prelivnog (prethodna slika) dela brane obicno se pretpostavlja da prelivni mlaz ne deluje na branu.Ovo je na strani sigurnosti,jer je pritisak na donjoj ivici mlaza jednak nuli pri racunskom proticaju,dok je pri manjim proticajima pozitivan,sto doprinosi stabilnosti.Na strani sigurnosti je i pretpostavka o hidrostatickom rasporedu pritiska na uzvodnom licu brane,jer stvarni-tzv.hidrodinamicki pritisak manji. •
Uzgon
Beton i stena su manje ili vise porozne sredine,prozete mnostvom povezanih mikro i makro supljina (pore,prsline,pukotine) u koje se voda zavlaci i kroz koje provire (filtrira). Uzgon je opterecenje kojim voda u supljinama betona i temeljne sredine potiskuje objekat navise.Uzgon deluje i pri hidrostatickom stanju (kada voda u supljinama miruje),i pri hidrodinamickom (kada se krece-filtrira).
Pri hidrostatickim uslovima uzgon je (kao i svaka vertikalna hidrostaticka sila) jednak tezini vode izmedju povrsine na koju deluje(kontakt brane i tla na prethodnoj slici pod a)) i horizontalne projekcije povrsine u ravni pijezometarske kote.Za ravanski zadatak,tezina po jedinici duzine je jednaka povrsini izmedju linije dodira duz koje deluje uzgon,i pijezometarske linije,pomnozeno sa specificnom tezinom vode.Uobicajeno je da se ta povrsina,odnosno dijagram opterecenja,crta ispod linije dodira (u smeru dejstva opterecenja),bas kao sto je i prikazano na prethodnoj slici.
40
Sl.5 I pri hidrodinamickim uslovima (kada se voda krece) uzgon se racuna na isti nacin-nema razloga da bude drugacije.Jedina razlika je u tome sto sada pijezometarska kota nije vise horizontalna,vec opada u smeru tecenja jer se energija trosi na gubitke pri proviranju vode (prethodna slika pod b)). U homogenoj i izotropnoj sredini brzina vode ispod brane je priblizno konstantna (sem u blizini uzvodne i nizvodne ivice (na narednoj slici prikazano),pa se obicno usvaja da pritisak,odnosno pijezometarska linija,opada linearno. Ovakva pretpostavka je cesto na strani sigurnosti, jer sila uzgona racunata po linearnoj teoriji,ULIN,daje veci momenat prevrtanja oko nizvodne ivice,od sile racunate po potencijalnoj teoriji UPOT (krak obrtanja “linearnog uzgona”,rLIN,veci je od odgovarajuceg kraka “potencijalnog uzgona”,rPOT,sl.7). Medjutim,primenom linearne teorije dobice se potcenjene vrednosti uzgona za deo objekta na nizvodnom kraju provirnog puta (za dno umirujuceg bazena na pr.).Takodje,pri proceni filtracione stabilnosti tla u temelju,treba imati na umu da se filtracione brzine znacajno povecavaju u blizini uzvodne i nizvodne ivice brane (slika 6)
41
sl.6 Ako se prihvati pretpostavka o linearnoj promeni pijezometarske kote duz svake manje-vise homogene deonice filtracionog puta,sila uzgona,U,se moze predstaviti kao povrsina mnogougaonika (pravougaonog trapeza ABCE za slucaj na sl. 8),pomnozeno specificnom tezinom vode: U= w*B*((HG+HD)/2) Sila deluje u tezistu povrsine.
sl.7
42
sl.8 a)Bazni uzgon (potisak),U BAZ ,koji odgovara hidrostatickom pritisku donje vode,i b)Diferencijalni uzgon,U DIF ,koji odgovara pijezometarskoj razlici izmedju gornje i donje vode (∆ H=HG-HD) U=UBAZ+UDIF= w*B*HD+ w*B* H/2 Nema ekonomicnog nacina da se eliminise bazni uzgon (UBAZ),ali ima dosta nacina da se smanji diferencijalni uzgon (UDIF)
1.Dreniranjem vode iz pukotina i pora smanjuje se filtracioni proticaj,a time i filtraciona brzina nizvodno od drenaze,pa opada i gubitak energije,odnosno opada pijezometarska razlika na potezu od drenaze do nizvodnog lica brane (uporediti pijezometarske razlike sa drenazom, H ,i bez drenaze, H,na sl.9).Ovim drenaza obara pijezometarski nivo,cime smanjuje pritisak provirne vode-smanjuje diferencijalni uzgon.U stenovitim temeljima voda se cesto drenira mrezom drenaznih busotina.Ako bi busotine bile gusto rasporedjene jedna uz drugu (u granicnom slucaju formirao bi se kontinualni “rov” kroz temelj brane),nivo podzemne vode iza drenaze bio bi veoma blizak nivou donje vode,pa diferencijalnog uzgona iza drenaze ne bi ni bilo.Jasno je da drenazu treba postaviti sto blize uzvodnom licu brane,kako bi se deo preseka na kome je pritisak umanjen ucinio sto vecim. Na delu preseka uzvodno od drenaze gradijent pritiska (pad pijezometarske linije) je veci nego u slucaju da drenaza ne postoji (tackasta linija na slici 9),sto povecava provirni proticaj na potezu od uzvodnog lica do drenaze (u odnosu na slucaj bez drenaze).Provirna voda se iz drenaznih busotina odvodi u donju vodu kroz kanale u drenaznoj galeriji (gravitacijom ili pumpanjem).
43
sl.9 2.Kada se produzi put proviranja vode uzvodnim horizontalnim,ili vertikalnim zastorom,umanjice se pritisak (odnosno uzgon) ispod brane (sl.10).Treba voditi racuna da se u zastoru na jave pukotine,inace efekat se smanjuje,ili sasvim izostaje (zavisno od polozaja i velicine pukotine). S druge strane,ispod slapista (umirujuceg bazena) se javlja nezeljeni efekat “nizvodnog” zastora sa povecanim uzgonom (sl.11). Dreniranje slapista,je rizicno,zbog mogucnosti pojave opasnih pulzacionih hidrodinamickih opterecenja,pa se slapisne ploce obicno osiguravaju od isplivavanja ankerima . sl.10
44
sl.11
3) U zoni velike vododrzivosti povrsina otvora kroz koje voda provire je mala,pa su otpori tecenja veliki i pijezometarska linija brze opada.Odatle ideja da se materijal blize uzvodnoj ivici ucini sto vododrzivijim,cime se povecavaju gubici pada,i obara pijezometarska linija na pocetku provirnog puta,sto,kao i kod dreniranja,smanjuje silu uzgona (sl.13c),(injekciona zavesa). Kod stenovitih sredina vododrzivost se povecava injektiranjem .Injekciona masa se pod pritiskom utiskuje u busotine,odakle prodire u pukotine i pore koje popunjava,stvarajuci pregradu visoke vododrzivosti-injekcionu zavesu (sl.13). Kod tla (vezanog i nevezanog) vododrzivost se povecava zbijanjem.Kod nevezanog tla cesto se koriste dijafragme i priboji.
sl.13 Povecanje otpora proviranju injektiranjem (zaptivanjem) na uzvodnom delu preseka,uz smanjenje otpora dreniranjem nizvodno od injekcione zavese (zaptivke) stvara heterogenost materijala cime se postize maksimalno smanjenje uzgona . Injektiranjem (zaptivanjem) i dreniranjem moze se znacajno smanjiti diferencijalni deo uzgona,pa se izraz za uzgon aproksimira sa:
U=γw*B*HD+δ*( γw*B/2)* Δ H Gde koeficijent “ δ” kvantifikuje dejstvo drenaze i zaptivanja na smanjenje diferencijalnog uzgona (o< δ<1).U idealnom slucaju,kada su drenaza i injekciona zavesa maksimalno efikasni δ=0,a za slucaj bez drenaze I injektiranja javlja se pun diferencijalni uzgon ( δ=1).
45
sl.14 Vrednost koeficijenta “ δ” obicno se uzima u granicama izmedju 0.33< δ <1.0, s tim sto je δ=0.33 samo kod zdravih stena i to kada je predvidjeno i dreniranje i zaptivanje;u ostalim slucajevima (ostecena stena,predvidjeno samo injektiranje,ili samo dreniranje) uzima se 0.5< δ <0.67
Za slozenu liniju dodira (sredina brane,ili neki drugi presek) presek) uzgon se dobija preko povrsine izmedju linije dodira i pijezometarske linije (sl.15),odnosno konture temelja i pijezo linije koja se dobija spajanjem gornje i donje vode .Na slici 15a uzgon je prikazan sa obe strane linije dodira:sa gornje strane kao povrsina izmedju linije dodira i pijezometarske linije,i sa donje strane,kao opterecenje koje potiskuje branu navise (kako se uobicajeno pretstavlja).
sl.15 Polozaj pijezometarske linije moze se i preciznije odrediti nego sto je prikazano na prethodnoj slici (sl.15),narocito za slucajeve kada je dubina zuba znacajna,pa utice na produzenje provirnog puta vode,a vode,a time i na smanjenje smanjenje pritiska po po konturi temeljne ploce.
46
Takodje,treba zapaziti da postoji i horizontalna komponenta komponenta sile pritiska provirne vode,koja se mora ukljuciti u analizu opterecenja.
Uzgon koji se javlja u porama i prslinama u telu brane,moze se smanjiti uzvodnom zaptivanjem i/ili vertikalnom denazom.Racuna denazom.Racuna se isto kao i uzgon u temeljnoj spojnici,a efekat zaptivanja (ili drenaze) najcesce se izrazava kroz koeficijent δ=0.3 Uzgon je opterecenje koje karakterise mnoge hidrotehnicke objekte.
•
Dinamicki pritisak vode i talasa
Talasi izazvani vetrom znacajni su pri dimenzionisanju brane, ne toliko zbog opterecenja koje udarom izazivaju (dosta projektanata zanemaruje dinamicko dejstvo talasa), koliko zbog odredjivanja kote krune brane (sl.17). Na kotu maksimalnog uspora u akumulaciji treba dodati I visinu merodavnog talasa koji se penje uz uzvodno lice brane, uz obaveznu rezervu od 0.5 – 1.0 m. Kao merodavna visina obicno se uzima tzv. “znacajna” visina talasa, hT . To je visina talasa koji je visi od 87% talasa (a nizi od 13% talasa) pri odredjenoj “talasnoj slici”, koju izaziva vetar merodavne jacine (brzine) I pravca na razmatranoj akumulaciji. Razumno je ocekivati da visina talasa, hT , bude srazmerna brzini vetra VV , i duzini vodene povrsine u pravcu pravcu brzine, brzine, L0 (duzine na kojoj kojoj se stvara talas, sl.16). sl.16).
Prema literaturi znacajna visina talasa, hT, je: (5.8): hT = 0.00513* (VV ^1.06)*(K*Lo) (VV ^1.06)*(K*Lo) ^0.47 a talasna duzina je, LT je: (5.9): LT = 0.187 *(VV^0.88)* (K*Lo) ^0.56 gde su: HT i LT izrazeni u metrima, brzina vetra, VV u kilometrima na cas, a duzina pravca, L0, u kilometrima. Koeficijent, K, zavisi od odnosa srednje sirine akumulacije (na razmatranom pravcu), I duzine pravca (W0/L0): W0/L0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.5 0.8 1.0 2.0 K 0.00 0.26 0.40 0.51 0.67 0.83 0.90 1.00 Tab.1 Koeficijent, K, zavisno od odnosa W0/L0 Merodavna brzina i pravac vetra vetra biraju se sa sa ruze vetrova. vetrova. Obicno se za osnovno opterecenje opterecenje racuna sa vetrom povratnog perioda od 20 godina, a usvaja se pravac koji daje najvecu visinu talasa u izrazu 5.8. Za izuzetno opterecenje se uzima povratni period od 50 – 100 godina.Talase strvara srednja jacina vetra, a ne izrazito jaki udari, pa u racunu treba 47
koristiti srednju brzinu, a ne brzinu udara. Jednacine 5.8 I 5.9 vaze ako je voda uzvodno od brane dovoljno duboka, tj. ako je HG > ¼ LT; ( HG-dubina HG-dubina vode ispred ispred brane). ( slika.17) Visina talasa,i sila od talasa na na gravitacionu branu
Treba imati na umu da se ttalas alas koji naidje na prepreku prepreku “penje” iznad visine koju ima u vodi udaljenoj od prepreke (obale). Pri udaru o vertikalnu prepreku talas dostize visinu od hP = 1.5 hT iznad nivoa mirne vode (Sl.17), pa prema ovoj visini treba I odrediti kotu krune brane. S obzirom da je dno talasa za 0.5 hT ispod nivoa mirne vode, to je ukupna visina kojom talas udara (pritiska) vertikalnu prepreku (kao sto je uzvodno lice gravitacione betonske brane na slici): (10): h = 1.5hT + 0.5hT = 2hT Ako se usvoji hidrostaticki raspored pritiska u talasu, t alasu, moze se prihvatiti da je sila od talasa, na 1(m) duzine brane (11): PT = γW *(2*hT )² / 2 = 2 γW hT ² Obicno se uzima da sila deluje na koti nivoa mirne vode Ako pravac vetra vetra zaklapa ugao ugao α0 sa pravcem osa brane, sila ce biti (Sl.16): (12): PT = 2*γW * hT ² sin α0 U slucaju kosog uzvodnog lica (kod nasipa), penjanje talasa uz konturu moze biti znatno vise kod vertikalnog lica. Utvrdjeno je da odnos penjanja, hT , zavisi od nagiba kosine “m” (slika.18), hrapavosti podloge, i odnosa visine talasa i talasne duzine, hT/LT (slika.18) Penjanje talasa uz kosinu
48
Neki projektanti ne uzimaju u obzir silu od talasa uz obrazlozenje da je: a) mala u odnosu na “glavne sile” i b) da se talasi nece jednovremeno javiti po celoj duzini brane. Sila od talasa obicno se “dodaje” na kotu maksimalnog uspora, jer se moze ocekivati da talasi nastanu za vreme nepogoda koje izazivaju poplave I podizanje nivoa vode u akumulaciji.
•
Pritisak leda
Led moze delovati na branu na dva nacina: a)Pritiskom cvrstog pokrivaca – staticki pritisak leda i b)Silom koju izaziva udar ledene sante – dinamicki pritisak leda.
a)Staticki pritisak leda Staticki pritisak leda nastaje usled sirenja ledenog pokrivaca pri naglom otopljenju. Led se ponasa kao sva cvrsta tela, pa se pri snizavanju temperature skuplja I stvara pukotine u pokrivacu u koje prodire voda I stvara novi gusci led. Ako nastupi naglo otopljenje, led se siri, I ukoliko nema kud (krute – stenovite obale akumulacije) pocinje da pritiska branu. Pritisak od leda se moze javiti I usled spustanja nivoa vode ispod vec formiranog ledenog pokrivaca. (slika.19) Staticki pritisak leda
49
Pritisak je proporcionalan prirastu temperature i debljini leda. U stranoj literaturi postoje nomogrami i empirijske formule za odredjivanje statickog pritiska leda, ali se oni zasnivaju na iskustvu vezanu za odredjenu geografsu oblast, ili se u njima koriste podaci o velicinama koje se ne mere u nasoj zemlji. U nasoj literaturi postoje uptstva na bazi ruske literature, za procenu staticke sile leda, PSL , za najnepovoljnije temperaturne uslove , a zavisno od duzine prostiranja ledenog pokrivaca izmedju brane i “oslonca” na suprotnoj strani, LL (sl.20), i debljine leda δ (tabela 2) (slika.20) Staticki pritisak leda – osnova
Procenjeno je da u najostrijim klimatskim uslovima u nasim podrucjima, debljina ledenog pokrivaca ne moze preci δ = 0.4 – 0.6 m ( sa izuzetkom Dunava), pa je maksimalna staticka sila leda s kojom bi trebalo racunati P SL ≈ 150 kN/m. Treba imati na umu da staticka sila ne moze delovati u isto vreme kada i sila od talasa. Debljina leda (m) 1.00 0.70 0.50
Staticka sila leda PSL (kN/m) LL>150m LL=100m LL=75m LL=50m 150 190 230 270 100 130 170 200 70 80 100 130 Tab.2 Zavisnost staticke sile leda od debljine i duzine pokrivaca
b)Dinamicki pritisak leda Dinamicka sila leda PDL , nastaje usled udara santi leda u branu ili mostovski stub za vreme topljenja leda (ledohoda). I za proracun dinamicke sile leda koriste se empirijski izrazi. Ovde se navodi obrazac Kuznjecova: (13):
PDL = K *VL* δ√AL ,
gde su: VL = brzina kretanja leda (m/s), δ = debljina leda (m), AL = povrsina osnove karakteristicne sante leda (m² ), K = koeficijent koji zavisi od granicne cvrstoce leda pri robljenju. Granicna cvrstoca 300 leda na drobljenja (kN/ m²)
500
600
700
K (kNs/m³) 23.6 30 33 43 Tab.3 Koeficijent, K, zavisno od granicne cvrstoce leda na drobljenja 50
•
Pritisak nanosa (mulja)
Nanos izlozen ispred uzvodnog lica brane pritiska branu, i doprinosi njenoj nestabilnosti.
Pritisak nanosa u nekoj tacki na dubini, hNAN , od gornje ivice sloja. (sl.21) racuna se kao aktivni pritisak tla: (14):
PNAN = ( γ NAN – γW ) hNAN tg² (45 – φ /2)
gde je: hNAN = zapreminska tezina nanosa u zasicenom stanju , a φ = ugao unutrasnjeg trenja nanosa pod vodom 0 < φ <30 ˚ (najcesce je φ = 20˚ - 30˚, tj. ugao unutrasnjeg trenja priblizno je isti kao i u nepotopljenom stanju.
Horizontalna sila od nanosa po metru duznom brane dobija se integrisanjem pritiska po celoj debljini sloja HNAN pa iznosi: (15):
PNAN = (( γ NAN – γW )*H²NAN / 2 ) ( tg² (45 – φ /2))
Treba imati na umu da sila od nanosa ne umanjuje vrednost hidrostaticke sile PG, s obzirom da voda “prodire” kroz pore u nanosu i “naleze” na povrsinu uzvodnog lica brane. Kod zakosenog uzvodnog lica, sila od nanosa se razlaze na horizontalnu I vertikalnu komponentu. Vertikalna sila se cesto ne uzima u razmatranje, sto je na strani sigurnosti.
•
Sile od zemljotresa-seizmicke sile
Zemljotres predstavlja snazno oscilatorno pomeranje zemljine kore koje moze znacajno da ugrozi stabilnost brane. Pomeranje se preko temelja prenosi na branu. Brana dobija ubrzanje, a, koje stvara inercijalnu seizmicku silu,PS , srazmernu ubrzanju I masi brane, M. Ako se pretpostavi da svaki delic brane dobija isto ubrzanje, seizmicka sila se moze izraziti kao: (16): PS = a*M = KS*g*M = *G ,
51
gde su: g = ubrzanje zemljine teze (gravitaciono ubrzanje),G = tezina brane,KS = a/g = koeficijent seizmicnosti (ubrzanja) = odnos ubrzanja zemljotresa i ubrzanja zemljine teze. Vrednost koeficijenta seizmicnosti zavisi od moguce seizmicke aktivnosti razmatranog podrucja. Stepen 1 KS
3
5
7
8
9
10
11
0.0003 0.0010 0.0051 0.0255 0.0510 0.1020 0.2548 0.5100 Tab.4 Zavisnost koeficijenta seizmicnosti od jacine zemljotresa
Tektonski pokret koji stvara zemljotres moze imati proizvoljan pravac delovanja.
Pokret u pravcu ose brane, tj. u y-pravcu nece imati mnogo uticaja na stabilnost gravitacione brane, s obzirom da su bokovi brane poduprti stenskom masom doline na koju se naslanjaju. (Za kontraforne brane i druge vrste olaksanih brana, mora se voditi racuna i o ovom pravcu pravcu delovanja, delovanja, jer nema bocnog bocnog ukrucenja od od sredine). Pokret u vertikalnom z-pravcu moze izazvati uzlaznu silu koja “smanjuje” tezinu t ezinu brane, a time I njenu stabilnost. Ubrzanje u vertikalnom pravcu, aV , obicno je manje od horizontalnog ubrzanja, a; koeficijent seizmicnosti iznosi KSV 0.5 – 0.75 Ks , a vertikalna sila ( koja “smanjuje” tezinu brane) je: (16a):
PSV = av*M = KSV*g*M = KSV*G KSV*G
Najopasniji je pokret u horizontalnom x-pravcu , jer pored inercijalne seizmicke sile od oscilovanja same brane, PS = KS*G , nastaje I dodatna inercijalna (dinamicka) sila od oscilovanja vode u akumulacionom basenu uzvodno od brane. Opterecenje u horizontalnom x-pravcu uvek se uzima u analizu opterecenja. , racuna se primenom Zangarove ili Vestergradove metode. Seizmicka sila od vode, PSW , Ovde je opisana Vestargradova metoda, koja vazi samo za vertikalnu konturu uzvodnog lica brane. Slika.23 Seizmicka sila vode prema Vastergardu
52
Prema Vastergardu sirina vodene mase “x” koja na dubini “z” osciluje zajedno sa branom moze se aproksimirati jednacinom parabole:
(17):
x(z) = ⅞√z* HG , pa je pritisak vode vode od zemljotresa u pojedinim tackama: tackama:
(18):
pSW(z) = KS* W*⅞*√(z* HG)
Na dnu akumulacije akumulacije (prema jednacini jednacini 5.18) seizmicki pritisak je: (19):
pSW(HG) = KS* W*⅞*HG,
pa je ukupna seizmickasila od vode vode jednaka povrsini povrsini parabole: (20):
PSW = KS* W*7/12*H²G ,
a deluje na rastojanju od 0.425 HG od dna akumulacije (sl.23). Kod manjih objekata i za nize faze projekata moze se koristiti jednostavna “metoda koeficijenata”, zasnovana na napred navedenim postavkama. Kod visokih brana postoji opasnost od rezonance brane i tla, pa je u zavrsnim fazama projekta potrebno primeniti slozenu dinamicku analizu. •
Tezina brane i temelja
Tezina brane G , je najvaznija stabilizujuca sila kod gravitacionih brana. Racuna se kao zapremina (odnosno, povrsina poprecnog preseka na 1m duzini), pomnozeno sa zapreminskom tezinom betona: (21):
G = B*A [kN / m],
gde je A - povrsina poprecnog preseka brane, a γ B = zapreminska tezina betona, obicno γ B = 24 (kN / m³). Sila deluje u tezistu preseka (Sl.24). Sl.24 Sila tezine
Tezina dela temelja (sredine ispod ili oko brane), GT , takodje moze biti uzeta u racun pri analizi stabilnosti (npr. pri proracunu sigurnosti protiv klizanja). Kod nekih objekata (slapista, povrsinskih zahteva, kanala i dr.) cesti su primeri da se vezivanjem ankerima za sredinu temelja postize zeljena stabilnost. 53
Reakcija temelja Prema zakonu “akcije i reakcije”, svaka sila koja deluje na objekat (na branu kao celinu, na temelj brane, ili na neki deo brane), izazvace reakciju iste jacine i pravca, sa suprotnim smerom. Reakcija se ne uzima kao opterecenje, jer se razmatraju uticaji sredine na objekat, a ne obrnuto.
II-2.6.2 Kombinacije opterecenja opterecenja Sva navedena opterecenja ne mogu se istovremeno javiti. Ne moze u isto vreme delovati staticki pritisak leda, i sila od udara talasa. Isto tako, nije razumno ocekivati da ce se kratkotrajna opterecenja male verovatnoce pojave (kao sto su, na primer, poplavni talas maksimalno velike vode i katastrofalni zemljotres maksimalne jacine za razmatrano podrucje) javiti jednovremeno. Postavlja se pitanje izbora kombinacije opterecenja, opterecenja, jer je od interesa za stabilnost objekta da se obuhvate realno najnepovoljnije kombinacije opterecenja. Za izbor merodavnih kombinacijaopterecenja, bar za sad, ne postoje unapred utvrdjeni recepti koji mogu da pokriju sve slucajeve. U nastavku su ukratko prikazana uputstva koja preporucuju nasi projektanti, a prema kojima je objekat najcesce dovoljno dimenzionisati primenom cetiri kombinacije opterecenja:
Prazna akumulacija, akumulacija, neposredno po zavrsetku zavrsetku gradjenja, deluje samo samo tezina brane Normalno opterecenje : Nivo u akumulaciji na koti normalnog uspora (ZNU) , donja voda sa maksimalnim ili minimalnim nivoom koji se pri tome moze da javi, a koji daje nepovoljnije opterecenje, opterecenje, pun pritisak nanosa I leda ili talasa, drenazni sistem radi (ako ga ima), a injekcioni radovi su zavrseni (ako su predvidjeni). I. Izuzetno opterecenje od vode (Vanredno opterecenje): Nivo u akumulaciji na koti maksimalnog uspora (ZMU), donja voda maksimalna ili minimalna (zavisno sta je nepovoljnije), pun pritisak pritisak nanosa talasa,drenazni talasa,drenazni sistem NE radi. II. Izuzetno opterecenje od sezmike : Nivo u akumulaciji na koti normalnog uspora, donja voda kao pri normalnom opterecenju, pun pritisak nanosa I leda, drenazni sistem radi, sezmicki uticaji pri merodavnim zemljotresima zemljotresima (verovatnoce (verovatnoce pojave 0.5% 0.5% i 0.1%) za razmatano podrucje. podrucje.
Kod pojedinih konstrukcija je pogodno proveriti I neke druge kombinacije opterecenja (tzv. “projektantova merodavna kombinacija’), kao npr.:
III.
Prazna akumulacija, akumulacija, sa zemljotresom zemljotresom
IV.
Normalno opterecenje opterecenje (kombinacija II) ali ali bez uzgona
V.
Izuzetno opterecenje, opterecenje, drenazni drenazni sistem NE radi, i druge. druge.
II-2.6.3 Opsta stabilnost gravitacionih gravitacionih betonskih brana brana
Gravitaciona betonska brana je stabilna ako se moze odupreti klizanju(smicanju),uzgonu i Za mnoge hidrotehnicke objekte vazan uslov stabilnosti je i otpornost na preturanju. Za 54
isplivavanje,sto je kad gravitacionih brana,po pravilu ispunjeno.Uz to da bi brana bila otporna na opterecenja i uticaje,neophodno je da naponi I pomeranja u brani I temelju budu u dozvoljenim granicama.Odsustvo napona zatezanja na uzvodnom licu je cesto merodavan uslov pri dimenzionisanju gravitacione betonske brane. Navedeni uslovi moraju biti zadovoljeni pri svim razmatranim kombinacijama opterecenja,sa zahtevanim koeficijentom sigurnosti.Koeficijenti sigurnosti (na smicanje,prevrtanje,dozvoljene napone u tlu i betonu i sl.) razlikuju se zavisno od kombinacije opterecenja.Tako se za vanredno i izuzetno opterecenje dozvoljavaju nize vrednosti koeficijenata sigurnosti nego pri normalnom opterecenju. U pocetnim fazama projektovanja se proverava samo tzv. “opsta stabilnost” brane,sto podrazumeva odredjivanje stabilnosti na klizanje i preturanje,kao i proracun napona i sleganja u temeljnoj spojnici. U visim fazama projektovanja je potrebno odrediti naponsko stanje i pomeranja u konstrukciji i temelju,za sta se kod visokih brana primenjuje metoda konacnih elemenata.Brana i sredina koja cini temelj se izdele na elemente odgovarajuceg oblika.Zatim se iz uslova ravnoteze sila,i veze napona i deformacija,za zadate kontrurne uslove odredjuju pomeranja inaponi za svaki element brane i temelja.
•
Stabilnost protiv klizanja (smicanja)
Stabilnost protiv klizanja (smicanja) je cesto najkriticniji od navedenih uslova.Klizanje (smicanje) moze nastati:1)na kontaktu brane i sredine,2)u sredini-temelju i 3)u preseku tela brane.Treba proveriti sve potencijalno opasne ravni klizanja u temelju (pukotine,proslojke gline,i sl.). Razlikuju se uslovi klizanja u temeljnoj spojnici kod brana fundiranih na steni,i kod brana na nekoherentnom (nevezanom) tlu.
a)Kod nevezanog tla nema otpora smicanju usled kohezije unutar materijala,pa se pomeranju protivi jedino trenje.Do smicanja ne dolazi ako je smicuca sila (za horizontalni presek to je horizontalni presek,kao na sl.25)manja od sile trenja,T,koja je ravna proizvodu normalne sile (vertikalne komponente rezultante,V,za horizontalni presek,kao na sl.25) i koeficijent trenja,”f” Obicno se uslov ravnoteze uvodi i zahtevani faktor-koeficijent sigurnosti protiv smicanja (klizanja),CS,koji zavisi od kombinacije opterecenja (CS=1-3) pa za nevezano tlo: f*V/ CS>H
55
Moze se iz odnosa stabilizujucih sila i sila smicanja odrediti raspolozivi faktor sigurnosti koji mora biti veci od zahtevanog faktora, CS:
f*V/H>CS Koeficijent trenja, f ,zavisi od ugla unutrasnjeg trenja materijala:
f=tg φ
,gde je φ-ugao unutrasnjeg trenja (ugao pri kome je kosina stabilna).
Za materijale koji koji su pogodni za fundiranje gravitacione brane φ=20-35°
b) U vezanom koherentnom materijalu (stena,beton) smicanju se pored trenja,suprostavlja i kohezija (otpor na smicanje usled veza izmedju cestica materijala).Sila kohezije,TC, (po metru duznom brane) jednaka je: TC=c*b c-kohezija materijala.Sada se uslov stabilnosti protiv smicanja u horizontalnom preseku G D, moze se napisati kao: f*V+c*b>H Raspolozivi faktor (koeficijent) sigurnosti protiv smicanja moze se izraziti kao odnos stabilizujucih,i smicucih sila kao i kod nevezanog materijala:
(f*V+c*b)/H>CS ,gde je CS zahtevani faktor sigurnosti,i iznosi CS=1.3 do 4, zavisno od kombinacije opterecenja. Koeficijent trenja, f ,cesto se odredjuje na uzorku glatkih stranica.Tada je f ,priblizno 0.7 za kontakte beton-beton,i beton-stena.Koriscenje ovako niskog koeficijenta trenja vec daje odredjeni faktor sigurnosti,s obzirom da su povrsine duz kojih se smicanje odvija u prirodi po pravilu hrapave. Pri proveri smicanja za koherentni (vezani) materijal uobicajen je sledeci postupak: 1)Prvo se proveri stabilnost bez kohazije koriscenjem obrasca ( f*V/H>CS),s tim sto se dozvoljava nizak koeficijent sigurnosti, CS=1 do 1.3 ,ako se na ovaj nacin zadovolji stabilnost,nema potrebe za daljim proveravanjem.
56
2)Ako uslov stabilnosti nije postignut,uvodi se u racun i kohezija, pa se primenjuje izraz ( f*V+c*b>H).Sada se trazi da koeficijent sigurnosti bude znatno veci nego za slucaj kohezije (CS=4 za normalno,do 1.3 za izuzetno opterecenje) 3)Ako ni tada nije postignuta zahtevana sigurnost na smicanje,mora se povecati sirina temeljne spojnice,b,ili se primenjuje neka druga mera za povecanje otpora smicanju. Jedan od nacina da se poveca stabilnost na smicanje je i zakosavanje temeljne spojnice (sl.26).Ovim se povecava sila trenja,a smanjuje se smicuca sila (u odnosu na slucaj sa horizontalnom spojnicom).Uslov stabilnosti na smicanje sada glasi:
((f*(Vcosα+Hsinα)+c*b*1/cosα)/( Hcosα-Vsinα))> CS
Otpornost na klizanje (smicanje) moze se povecati i „zub” na uzvodnom delu spojnice (sl.26b).U horizontalnoj ravni temelja dobija se dodatna otpornost na mestu zuba,dok se u nizim ravnima temelja u otpor ukljucuje i sredina. •
Stabilnost protiv preturanja
Stabilnost protiv preturanja podrazumeva da stabiluzujuci momenat vracanja, Mv ,oko najnize nizvodne ivice brane premasi destabilizujuci momenat preturanja, Mp ,i to sa zahtevanim stepenom (tj.koeficijentom) sigurnosti:
Mv/Mp>Cp Cp-koeficijent sigurnosti na preturanje.Dozvoljene vrednosti koeficijenta sigurnosti zavise od kombinacije opterecenja i krecu se od 1.5 za normalno opterecenje do 1.1 za izuzetno.Uzimamo priblizno 1.3
II-2.7 Lucne brane Osnovno je kod lucne brane da se pritisku vode konstrukcija ne suprostavlja svojom tezinom vec upiranjem u bokove doline .Ovo zahteva da su bokovi i dno doline dobre nosivosti (stena) i da je dolina relativno uska. 57
Povrsina brane je zakrivljena u oba pravca,a u statickom smislu predstavlja povrsinski nosac,odnosno u vertikalnom pravcu deluje kao konzola,a u horizontalnom pravcu deluje kao ukljesten luk.Kod ovakve brane nema uzgona,ali se osim opterecenja od vode mora obratiti paznja narocito na temperaturne uticaje,jer je sa uzvodne strane brana rashladjena vodom koja nekada moze da bude 5-10°C ,a sa nizvodne strane izlozena je delovanju sunca tako da temperatura moze da bude 40°C,pa postoji temperaturna razlika.Ako se u bokovima brane jave proslojci losih filtracionih karakteristika (porozan materijal),onda se takav proslojak injektira.
Lucna brana
Lucna brana
58
Lucna brana
II-2.8 Olaksane brane
Ukoliko se predvidi dobar drenazni sistem koji ce znatno smanjiti uzgon (temelj brane je celom duzinom izmedju stubova dreniran) i ukoliko je dobro nosivo tlo vrlo cesto se projektuju olaksane brane.
59
Ovakve brane se retko grade jer pored svojih prednosti u smanjenju kolicine materijala imaju svoje mane u smislu slozenosti konstrukcije,podlozne su raznim uticajima, teze su za izvodjenje sto dovodi do toga da se prednost daje gravitacionim branama.
Olaksana brana
60
Olaksana brana
II-2.9 Nasute brane
Grade se kontrolisanim nasipanjem i zbijanjem dostupnog materijala,a spoljnim silama se odupiru sopstvenom tezinom .Nasute brane mogu se shvatiti kao visoki nasipi koji su stalno u dodiru sa vodom. Velika prednost nasutih brana u odnosu na betonske je sto prenose opterecenje na tlo preko znatno vece povrsine,cime se znacajno smanjuju naponi u tlu .Cesto su nasute brane jedino resenje za nasuto tlo.Uz to, nasute brane su i manje osetljive na sleganje temelja od betonskih brana. Grade se od lokalno dostupnih materijala,uz potpuno mehanizovano ugradjivanje,pa su troskovi po jedinici zapremine brane znacajno nizi u odnosu na betonske brane.S druge strane zapremina nasute brane je veca od zapremine alternativne betonske brane.
Najveca mana nasutih brana je velika osetljivost na eroziju od vode,bilo povrsinsku bilo unutrasnju. Osnovna posela nasutih brana je na: 1) Zemljane brane 2) Brane od kamena(kamenog nabacaja) Tri najcesce uzroka rusenja nasutih brana su: 1) Prelivanje ,praceno spoljasnjom erozijom 2) Ispiranje materijala nasipa-unutrasnjea erozija 3) Klizanje kosina 61
Nasuta brana
Nasuta brana
II-2.9.1 Unutrasnja erozija Unutrasnja erozija je posebno opasna kod zemljanih brana. Nastaje odnosenjem cestica nevezanog materijala koje ne mogu da se odupru hidrodinamickoj sili provirne vode.Unutrasnja erozija obicno se deli na: 62
1) Ispiranje (sufoziju) 2) Podizanje (fluidizaciju)
•
Ispiranje-sufozija
Provirna voda odnosi cestice (tla,nasipa) koje nemaju oslonca iza sebe,a svojom tezinom se ne mogu odupreti sili toka.Ova pojava se naziva Ispiranje-sufozija .Moze biti isprana cestica na nizvodnom licu,iza koje nema cestica da je podupru,ili cestica iz unutrasnjosti nasipa koja je suvisne sitna da bi je okolne krupnije cestice mogle zadrazati (tj. Moze se provuci kroz prostor-pore izmedju susednih cestica).Ovaj drugi vid ispiranja redovno se javlja na direktnom kontaktu sitnozrnog i kriupnozrnog materijala-tzv.sufozija na kontaktu(naravno ukoliko je smer filtracije ka krupnozrnom sloju). Ispiranje jedne frakcije cestica iz brane ili temelja ne mora uvek da bude opasno.Sitnije cestice mogu biti isprane iz heterogene mesavine bez narusavanja stabilnosti objekta ako preostale cestice nisu ugrozene rezultujucim povecanjem brzine proviranja vode,i ako su odrzale poduprt sistem(tj.ako cestice nalezu jedna na drugu)U ovakvom slucaju,prvobitno mutna provirna voda,ce se izbistriti kada sve cestice budu isprane.Naprotiv,povecanje mutnoce i provirnog proticaja,znaci da je erozija dobila na intenzitetu (da se ispira sve veci broj cestica),pa ce,ako se nestone preduzme doci do potpunog ispiranja tla i rusenja objekta. Hidrodinamicka sila kojom voda deluje na cestice tla srazmerna je filtracionoj brzini, υD,a ova zavisi od gradijenta filtracije ,I,i koeficijenta filtracije (koeficijenta vodopropusnosti), K .Gradijent filtracije predstavlja pad pijezometarske linije duz provirnog puta,a u praksi se cesto aproksimira kao kolicnik pijezometarske razlike, h=- ΔΠ,i duzine provirnog puta, L=ΔI ,na kome se razlika h ostvari:
υD=K*I=K( -dΠ /dL)=K*(- ΔΠ/ dl)=K*h/L „-„ oznacava da pijezometarska linija, Π,opada u smeru tecenja)
( znak
Opasnost da cestica odredjene krupnoce bude isprana (usled dejstva hidrodinamicke sile) raste sa povecanjem gradijenta, I ,i sa porastom koeficijenta filtracije, K .Gradijent pri kome dolazi do sufozije razmatranog tla naziva se kriticni gradijent filtracije na sufoziju,IKR.
Zbijanje po pravilu nije dovoljno pa se ugrozeni materijal nasipa redovno stiti filtrim. Filtar sluzi da onemoguci ispiranje sitnih cestica kroz pore krupnih cestica u susednoj zoni-sloju (sufozija na kontaktu).Filtar cine slojevi razlicite krupnoce zrna.Krupnoca raste iduci u smeru toka vode,tako da materijal iz prethodnog (uzvodnog) sloja ne moze biti ispran kroz naredni (nizvodni). Fluidizacija
•
Fluidizacija (podizanje,”kljucanje”,”tecenje”) tla nastaje kada hidrodinamicka sila vode koja provire navise postane veca od tezine tla.Tlo u potpunosti gubi nosivost-dolazi do sloma tla.Bez obzira na slom tla bubrenje se odvija na kontaktu vode i tla,i upravo ovo stvara eroziju kontaktne povrsine.
II-2.9.2 Proviranje kroz branu i provirna linija
63
Provirna linija (filtraciona linija) predstavlja liniju slobodne povrsine vode u nasipu.Poznavanje polozaja provirne linije omogucava da se:
1)Utvrdi tezina i kohezija svih delova brane 2)Odredi mesto za drenazu i filtre 3)Proceni kolicina provirne vode (filtracioni proticaj) Uobicajeno je da se u hidrotehnickoj praksi koristi Kasagrandeov postupak za odredjivanje provirne linije na bazi Kozenijevog resenja. Na sl.10 prikazana je provirna linija za nasip bez drena .
Kozenijevo analiticko resenje Na slici 8,prikazano je Kozenijevo resenje polozaja provirne linije za homogenu branu (branu od homogenog materijala) fundiranu na vododrzivom temelju sa horizontalnim drenom na nizvodnom kraju.
Proticaj provirne vode (filtracioni proticaj) po metru duznom nasipa, q. 64
q=ho*K=K*(√(H²+d²)-d) Provirna linija se spusta (obara) pomeranjem drenaze uzvodno. Ovim se povecava stabilnost brane na klizanje,jer je povecan nepotopljen deo nasipa (koji nij e olaksan). Kasagrande je prosirio Kozenijevo resenje za proracun provirne linije (sa horizontalnim drenom) na slucajeve sa proizvoljnim polozajem drena.
•
Linearna Aproksimacija
Cesto se u praksi provirna linija kroz nasip bez drena aproksimira pravom linijom umesto parabolom. Razmatra se filtracija kroz homogenu izotropnu nasutu branu na vododrzivoj podlozi(sl.14).Treba proceniti polozaj provirne linije i filtracioni proticaj (po metru duznom brane).
65
II-2.9.3 Proviranje kroz branu sa slozenim-viseslojnim presekom
Brane i nasipi se najcesce ne grade kao homogeni objekti (od jedne vrste materijala).Obicno se vododrziv materijal koristi kao pregrada-jezgro za smanjenje proviranja,a oko njega se nasipa krupniji materijal (sa vecim uglom unutrasnjeg trenja),koji je znatno stabilniji od jezgra,ali i znatno manje vododrziv. Na sl.15 prikazana je filtracija kroz branu sa glinenim jezgrom.Proticaj kroz branu diktira usko grlo („kontrolni presek”),a to je najvododrzivija deonica (deonica sa najmanjim koeficijentom filtracije),odnosno jezgro (zona II).Tu su otpori tecenju veliki,pa se sa raspolozivom denivelacijom moze propustiti relativno mali proticaj,sto i jeste uloga jezgra.
Tako mali proticaj prema jednacini kontinuiteta,tece i kroz vodonepropusne zone I i III uzvodno i nizvodno od jezgra,gde stvara male gubitke zbog velikog koeficijenta filtracije.Zato je provirna linija u zoni I horizontalna,dok zona III prakticno predstavlja dren kojim provirna voda otice izvan brane (naravno,nekada je potrebno nizvodnu nozicu zastititi od sufozije odgovarajucom zastitom-filtar i kameni nabacaj ili kamena stopa).
66
II-2.9.4 Proviranje ispod betonske brane u homogenom tlu ogranicene dubine
Do procene filtracionog proticaja i vrednosti uzgona moze se doci linearizacijom pijezometarske linije u temelju.Ovim se mnogo ne utice na tacnost procene uzgona,ali se znacajno potcenjuje izlazni gradijent proviranja sto treba nadoknaditi odgovarajucim koeficijentom sigurnosti pri proveri filtracione stabilnosti temelja (na sufoziju i fluidizaciju). Filtracioni proticaj za linearnu aproksimaciju se racuna kao:
q=K*T*ΔH/L Horizontalna temeljna ploca sa pribojem Radi smanjenja uzgona,filtracioni proticaja i izlaznog gradijenta cesto se u temelj pobijaju vertikalni zastori-proboji-kojima se produzava filtracioni put vode(sl.18).Filtraciona duzina, L ,moze se racunati kao zbir svih dodirnih „povrsina”(duzina) izmedju objekta i tla:
L(o)=2*L*Lp+LBR
gde je: Lp-dubina priboja (zastora), LBR=B-sirina temelja.
Uzimajuci u obzir anizotropnost koeficijenta filtracije (Kx>>Ky),i mogucnost lokalnih sleganja duz horizontalnog dela temeljne spojnice,predlozeno je da se duzina filtracije u temeljima redukuje i racuna kao zbir:
1)Punih (ne redukovanih) duzina po svim vertikalnim kontaktima objekta i temelja,i svim kosim kontaktima sa nagibom strmijim od 45 2)Duzina redukovanih na jednu trecinu stvarne duzine za horizontalne kontakte i kose kontakte sa nagibom blazim od 45 Za proracun gradijenata proviranja (sa ciljem da se procni opasnost od sufozije i fluidizacije tla na kontaktu brane i temelja i neposredno nizvodno od brane) treba koristiti redukovanu duzinu proviranja L(L) ,jer je kraca pa daje veci gradijent. Za proracun uzgona treba koristiti „obicnu” duzinu proviranja,sa ne redukovanim horizontalnim duzinama jer se tako dobija veci uzgon.
67
Polozaj pijezometarske linije, h(x) ,moze se aproksimirati tako sto se denivelacija gornje i donje vode, Δ H=HG-HD,linearno rasporedi duz linije dodira.Linearnom aproksimacijom se dobija:
h(x)=HD+((L-x)/L)* Δ H h(x)-“visina” pritiska
68
U tabeli 3,data je iskustvena zavisnost,bezdimenzionalnog filtracionog proticaja, φq=q/q0 (q0- proticaj bez priboja),od odnosa dubine priboja I debljine vodonosnog sloja, Lp/T .Filtracioni proticaj,q ,se odatle racuna:
II-2.10 Objekti uz branu
Voda se moze evakuisati iz akumulacije na mnogo nacina, sto znaci da postoji puno alternativnih tipova I dispozicija evakuacionih organa. Koji ce se od nacina (resenja) razmatrati i/ili usvojiti,zavisi od mnogo cinioca,od kojih su najvazniji:
1)Tip brane i visina brane (odnosno denivelacija gornje i donje vode) 2)Kolicina vode koja se evakuise (racunski proticaj), i trajanje poplave. 3)Pouzdanost prognoze doticaja poplavnog talasa 4)Topografskih karakteristika terena na profilu brane i/ili na jos nekom pogodnom mestu 5)Geoloski uslovi-uslovi fundiranja,seizmicki uslovi,stabilnost korita u koje se voda upusta 6)Raspored i tip ostalih objekata (HE,zahvatne gradjevine i sl.) 7)Nacin evakuacije vode za vreme gradjenja 8)Znacaj objekta 9)Pouzdanost upravljanja objektom 10)Nizvodna naseljenost i izgradjenost 11)Ekonomski kriterijumi Osnovna dva objekta koja svaka brana mora da ima su:
1) temeljni ispust 2) i objekat za prihvat i evakuaciju velikih voda (poplavni talas) Objekti za evakuaciju velikih voda 69
Ovi objekti se dimenzionisu na merodavni poplavni talas (MPT),odnosno poplavni talas odredjenog povratnog perioda.Sto je povratni period veci to je sigurnost brane na prihvat poplavnog talasa veca,ali su i preliv i brana skuplji.
Povratni period merodavnog poplavnog talasa se bira na osnovu sledecih parametara: -Ugrozenost nizvodnog podrucja -Znacaj samog objekta -Tipa brane -Tipa evakuacionog organa -Pouzdanosti hidroloskih podataka Merodavni poplavni talas zavisi od toga da li nizvodno od brane imamo veca naselja ili materijalna dobra.Sa druge strane sto se tice tipa brane treba znati da su zemljane brane mnogo ugrozenije u slucaju prelivanja od betonskih.Takodje su sa aspekta propustanja poplavnog talasa povoljniji „otvoreni” prelivi od preliva kao sto je sahtni.Vrlo cesto se brana gradi na neizucenim slivovima tako da raspolazemo sa vrlo malo hidroloskih podataka da bi mogli sprovesti tacniju statisticku analizu velikih voda,odnosno polavnih talasa. Kod nas nisu doneti zakonski normativi za dimenzionisanje preliva,odnosno odredjivanja merodavnog poplavnog talasa.Zbog toga se u praksi najcesce koriste preporuke Internacionalnog komiteta za visoke brane ,koji preporucuje da se evakuacioni organi dimenzionisu na hiljadugodisnju veliku vodu,a da se evakuacioni organ dimenzionise na hiljadugodisnju veliku vodu,a da rezervna visina Δh,bude tolika da pri nailasku 1.5 puta veceg poplavnog talasa od hiljadugodisnjeg ne dodje do prelivanja brane.
Temeljni ispust ima ulogu,da u slucaju potrebe omoguci praznjenje akumulacije.Potreba za praznjenjem akumulacije moze biti visestruka,kao sto je nailazak ekstremnog poplavnog talasa,odnosno stvaranje prostora da se on bezbedno prihvati.Vrlo cesto se akumulacija prazni i zbog potrebe izlovljavanja ribe iz nje,a i zbog potrebe popravke nekih objekata uz akumulaciju i na brani.Medjutim sam precnik,odnosno kapacitet ispusta se dimenzionise na osnovu potrebnog vremena za praznjenje akumulacije,koje najcesce diktiraju uslovi dobijeni od ministarstva odbrane.Ponekad akumulacije imaju vise temeljnih ispusta(razlicitih kapaciteta,i na razlicitim nivoima),za obavljanje razlicitih namena.Treba voditi racuna da praznjenje akumulacije ne izazove proklizavanje obalnih terena i druge nepozeljne posledice usled naglog obaranja nivoa vode. Dispoziciono gledano evakuacioni organi mogu da budu : 1)Kroz telo brane 2)Oko brane 3)Ispod brane Objekti za evakuaciju velikih voda kao sto je napomenuto imaju zadatak da prihvate i bezbedno sprovedu poplavni talas nizvodno od brane.Osnovni uslov za njihovo dimenzionisanje je da je pre nailaska poplavnog talasa akumulacija bila puna,odnosno do kote preliva,a da pri nailasku poplavnog talasa maksimalana kota vode u akumulaciji bude 70
niza od kote krune brane za neku sigurnosnu visinu Δh.Ova sigurnosna visina Δh se najcesce usvaja da bude jednaka maksimalnoj visini talasa.
1)Temeljni ispust Temeljni ispust treba postaviti sto blize ulaznoj gradjevini dovoda,da bi se omogucila efikasna zastita od istalozenog nanosa,jer ispust moze da pokrene nanos samo u ogranicenoj oblasti oko svog ulaza. Na nasim akumulacijama u Vojvodini minimalni precnik temeljnog ispusta je 0.6 (m) proistekao iz potrebe ciscenja cevi. Sam temeljni ispust se moze graditi van tela brane odnosno u samoj kosini brda kada je on prethodno koriscen kao optocni tinel.U drugom slucaju temeljni ispust je u samom telu brane.Kod nasute brane temeljni ispust u sebi sadrzi i kulu zatvaracnicu.Zatvaracnica se postavlja na uzvodnom delu temeljnog ispusta da bi se sprecilo isticanje vode ispod brane,ukoliko bi doslo do pucanja cevi temeljnog ispusta.Pucanje cevi temeljnog ispusta se desava u slucaju nekontrolisanog sleganja tela brane.Obavezno se postavljaju dva zatvaraca zbog sigurnosti.
Kombinacija temeljnog ispusta i sahtnog preliva:
71
Bocni preliv Bocni preliv je evakuacioni organ kod koga je prelivanje upravno na pravac toka u sabirnom kanalu,sto omogucava veliku duzinu prelivne ivice (sl.76).Bocni preliv se koristi kada nema dovoljnog prostora da se ceonim prelivom obezbedi potrebna duzina prelivne ivice,obicno kod nasutih brana u uskim kanjonima.
Dispozicija bocnog preliva:
Elementi bocnog preliva:
Sahtni preliv:
72
Preliv i temeljni ispust:-Presek III i IV
73
Preliv uz nasutu branu:
74
Preliv uz nasutu branu
Preliv uz nasutu branu
75
Preliv- gravitaciona brana
Preliv-lucna brana
76
Preliv-lucna brana
II-2.11 Nacini izgradnje brane
Pri izgradnji brane postoje dva osnovna nacina: a) Privremeno skretanje reke Za vreme gradjenja brane reka se privremeno mora skrenuti da bi se u koritu reke,ili dela korita,oslobodjenom od vode,mogla podici brana.Za skretanje reke nacelno se razlikuju dve mogucnosti:
a1) sprovodjenje reke kroz obilazni tunel(optocni tunel),dok korito reke ostaje oslobodjeno od vode,cime se omogucuje gradjenje brane .Ovo zahteva i izgradnju privremene brane,koja se naziva „zagat”,koja zaustavlja vodu i podize nivo cime se stvara mogucnost da voda protice tunelom.Postavlja se i drugi-nizvodni zagat,da se spreci da voda sa nizvodne strane ne dodje u korito gde se gradi brana.Umesto tunela moze da se gradi optocni kanal.
77
Skretanje reke kroz optocni tunel
a2)gradjenja brane je podizanje zagata kojim se ogradi jedan deo korita i u kome se posto se oslobodi vode grade jedan deo objekta.Kada se on zavrsi toliko da se kroz njega moze privremeno propustati reka,reka se tu prebaci i sada se gradi i oslobodi od vode drugi deo korita u kome se gradi preostali deo objekta.
78
Postavljanje zagata
Zagati
79
Voda se privremeno propusta kroz jedne delove objekta,dok se drugi zavrsavaju,pa se onda propusta i kroz definisano sagradjene ispuste i prelive,dok se poslednji delovi zavrsavaju.Sve mora da bude podvrgnuto ocekivanim hidroloskim uslovima:za vreme malih voda radovi se mogu obavljati na vecem delu objekta,jer je tada reci potrebno manje prostora.Najosetljiviji poduhvati prebacivanja reke obavljaju se tada.Za nailazak perioda velikih voda objekat se privremeno osposobi da ih prihvati,da bi se objekat kasnije intenzivnije dovrsavao kada se stvore povoljniji uslovi. Sprovodjenje vode tunelom nije prihvatljivo kao resenje kod izgradnje brana na velikim rekama,jer bi to zahtevalo tunele nerazumno velikih precnika,i tu se mora preci na prebacivanje reke-vec je opisano.kod manjih vodotoka,upravo svuda gde je to moguce primenjuje se prvi nacin (optocni tunel),jer to obezbedjuje neometano i neprekidno gradjenje sa redosledom koji je sa stanovista tehnologije gradjenja najpogodniji,dok prebacivanje reke namece redosled koji obicno prate i iznete teskoce. Teskoce su narocito izrazene ako korito nije dovoljno siroko,pa se za gradjenje u pojedinim fazama mora ostaviti malo prostora,zbog toga se ponekad vrsi vestacko prosirenje korita na mestu gradjenja da bi se veci deo reke ogradio,a reka tekla i kroz stvoreno prosirenje.
80
b)Izgradnja brane u suvom Moze se pomenuti i nacin koji dozvoljava da se objekat radi “u suvom”.Naime,objekat se gradi pored reke,a onda se reka na njega navede,a postojece korito se napusti.Ovo se gotovo redovno primenjuje kod izgradnje objekata za vestacke kanale.**Izraze „oslobodjeno od vode” ili „suvo” treba shvatiti uslovno,tj. Mesto gradjenja oslobodjeno od recnog toka,a ne i od vode,ako se u razmatranje ukljuci i filtracija.Ispod i sa strane zagata,kroz stenu izmedju optocnog tunela i gradilista,voda ce prodirati i gradiliste ce se crpljenjem neprekidno boriti sa vodom.Primenjuje se i injektiranje ispod i oko zagata,pobijanje privremenih priboja,dreniranje i obaranje nivoa vode crpljenjem iz bunara koji se buse oko temelja.Najvece teskoce su kod izrade najdubljih temelja,brane i slapista.
81
REULACIJE REKA Nastanak prirodnih tokova Prirodni tok je nastao kao posledica padavina koje dospevaju u njega bilo povrsinski,bilo podzemnim putem.Vodene mase se pod dejstvom gravitacione sile slivaju sa padina visih podrucja,planina,u niza podrucja I tako formiraju hidrografsku mrezu otvorenih tokova. Svaka reka ima svoj izvor I usce . Izvor moze da bude iz podzemlja,jezera ili sa glecerskih oblasti .Usce je obicno drugi vodotok (jezero ili more).Ponekad se reka gubi u podzemlju pa se naziva ponornica.
Kilometraza recnog toka se uvek meri od usca,jer se mesto izvora vrlo cesto menja.Strane reke,leva I desna obala,odredjuju se gledajuci nizvodno.Prirodni vodotoci se dele: -Bujicarske tokove I planinske reke -Ravnicarske reke Bujicne reke karakterisu nagle promene u kolicini vode,jer im je obicno sliv mali I formiraju se u visim delovima planina.Proticaj im je promenljiv I vrlo cesto se krece od nule do Qmax.Zajedno sa vodom nose sa sobom I veliku koncentraciju zemlje nastalu kao posledica spiranja povrsinskog sloja sliva odnosno povrsinske erozije (fluidalna erozija). Osnovni radovi na regulaciji ovakvog toka su sprecavanje erozije povrsinskog sloja sliva,posumljavanjem I zatravljivanjem sliva I sprecavanje erozije korita izgradnjom pregradnoh gradjevina (kaskada).
Ip=Idoz=Ikr/s -dozvoljeni pad toka za tu vrstu materijala Ikr-kritican pad dna vodotoka koji uzrokuje kriticnu brzinu u njemu pri kojoj dolazi do erozije dna s-koeficijent sigurnosti s=1.4 do 1.5 Broj kaskada se moze izracunati i on iznosi: Nks=((Ik-Ikr/s)*L)/Hkas - postojeci pad kanala (terena) Ik=H/L -duzina deonice koja se regulise L -usvojena visina jedne kaskade Hkas - potreban broj kaskada Nks
82
Ovakvi objekti se obicno grade van gradskih naselja,dok se u gradskim naseljima,reke sa erozivnom moci obicno oblazu (lomljenim kamenom).Ovo resenje je neekonomicno ali je estetski lepse. Razlika kod ravnicarskih reka je u tome sto one svoje korito formiraju u vlastitom aluvijumu,odnosno sitnozrnom pesku,koji su vekovima donosile sa sobom I usput ga mrvile.
83
ELEMENTI RECNOG SLIVA I RECNOG KORITA
Uobicajeno je da se pod recnim slivom podrazumeva povrsina sa koje se voda povrsinski sliva u neku reku.Ovo je orografski sliv koji se razlikuje od geoloskog sliva.
Oblici slivova Osim leve I desne obale vodotok ima I osovinu koja predstavlja liniju najvecih dubina(talveg ili matica).Kod ravnicarskih reka karakteristicno je da se poprecni profil reke sastoji iz dva dela: -korito za male I srednje vode (proticaje) koje se naziva osnovno korito ili minor korito. -drugi deo je korito za velike vode koje se naziva major korito a zemljiste koje reka plavi izlivanjem iz minor korita naziva se inundacija ili poloj.
Sematski prikaz recnog korita 1-osnovno korito; 2-glavno korito; 3- korito za veliku vodu; 4- inundacija; 5- nasip; 6- teren Trasa recnog korita predstavlja prikaz na situaciji. Kod ravnicarskih reka karakteristicno je da reka stalno krivuda,odnosno meandrira.
Šematski prikaz dela trase prirodnog vodotoka 1-teme rečne krivine; 2- infleksija; 3- sirfleksija
84
Neposredni uzrok stalne promene recnog toka I stvaranje meandara je narusavanje bilansa recnog nanosa.Kod bujicnih tokova smo govorili o uzduznim promenama recnog toka,usled potrebe za zadovoljenjem erozivne sile toka. τ =γ*R*J Kod aluvijalnih tokova(ravnicarskih) najcesce dolazi do poremecaja poprecnog bilansa,a sto uslovljava promenu poprecnog preseka I premestanje matice po sirini toka ka konkavnoj obali (helikoidno strujanje).Posto proticaji rekom nisu isti tokom godine ova pojava ima periodicni karakter.Moze se reci da,u najvecem delu svog toka meandriraju,tako da se stvaraju dva karakteristicna poprecna profila u krivini I u infleksiji.
Sematski prikaz recne deonice sa meandrima,sprudovima i karakteristicnim poprecnim presecima Erozija recnog korita pocinje nesto uzvodno od samog pocetka krivine (1),a dostize maksimum nizvodno od temena krivine (2).Erodirani material istalozava se na suprotnoj konveksnoj strani,nesto nizvodnije (3).Uticaj spiralnog strujanja postepeno nestaje I u profile B,reka se vraca u svoj pravolinijski tok.Zbog stalnog erodiranja konkavne obale meandar se pomera I siri.Onog trenutka kada otpori kretanju vode kroz razvijen meander veci od otpora potrebnih za presecanje novog korita reka napusta svoj meander I formira novi tok.
Sematski prikaz recnog toka sa razvojem meandra
85
Sematski prikaz razlicitih tipova meandera prema obliku
RADOVI NA UREDJENJU PRIRODNIH VODOTOKOVA Zajednicki cilj svih radova na vodotocima je optimalno iskoriscenje vodotoka uz minimalne investicije,ovo narocito,jer su ti radovi skupi I obimni.Osnovno je da ti radovi moraju uzeti u obzir sve subjekte koji su zainteresovani za iskoriscenje vodotoka,ne sme se na vodotoku intervenisati na stetu bilo koga cija je delatnost vezana za njega.Ovi radovi se svode na dva osnovna oblika delovanja,I to uredjenje osnovnog (glavnog) korita I formiranje major korita za veliku vodu izgradnjom nasipa.
Radovi na osnovnom (glavnom) koritu A1.Zastita recne obale I dna od erozije primenom razlicitih tipova regulacionih gradjevina Obaloutvrda-se gradi prevashodno na konkavnoj strani krivine do nivoa srednje velike vode (S.V.V) sto obicno odgovara koti obale glavnog korita.U izgradnji obaloutvrda koristi se najcesce prirodni mat erial (kamen,sljunak,busen,pruce,drveno kolje I sl.),a u novije vre me se sve vise koriste elementi od betona I armiranog betona.za formiranje nozice koriste se fasine ,koje se rade od vrbovog pruca I u vidu su snopa koji se povezuje pocinkovanom zicom precnika (1mm).
Sematski prikaz obaloutvrde od kamena sa nozicom od kamenog nabacaja na splavu od fasina 1-nozica 2-kamena obloga 3-obratni filtar 86
4-zavrsac 5-osnova u vidu splava od fasina Vrlo cesto se ove fasine pune sitnim kamenom gde je spoljni omotac od pruca debljine 10(cm),a precnik punjene fasine je 1-1.2(m).Od fasina se pravi splav,koji se potapa na mestu nozice obaloutvrde jer je obicno dno muljevito I slabo nosivo,pa bi doslo do sleganja obaloutvrde.U novije vreme umesto fasina koriste se industrijski materijali kao sto su rani filcevi od netkanog tekstila. Nozica se moze raditi I od gabiona- zicana korpa sa skeletom od pocinkovane zice presvucena zicanom mrezom sa okcima.
Tipovi obaloutvrda
87
Tipovi obaloutvrda
Prave paralelne gradjevine Ove gradjevine se rade takodje u svrhu zastite konkavne krivine, ali one u odnosu na obaloutvrdu pomeraju obalu I maticu ka suprotnoj konveksnoj obali.
Dispozicija prave paralelne gradjevine 1-prirodna obala 2-prava paralelna gradjevina 3-traverze 4-otvor u telu gradjevine
Prave paralelne gradjevine se sa obalom spajaju traverzama koje sprecavaju tok vode iza paralelne gradjevine.Izmedju traverzi na paralelnoj gradjevini se postavljaju otvori koji sluze da reka I pri malim vodama moze da udje u kasete I tamo istalozava nanos,tako se vremenom formira nova obala.
88
Sematski prikaz prave paralelne gradjevine 1-telo gradjevine;2-traverza;3-splav od fasina;4-otvori za upustanje nanosa;5-prirodna obala 6-prostor u kome se istalozava nanos;7-koren traverze
Sematski prikaz nekoliko cesce primenjivanih tipova paralelnih gradjevina a)Od kamena na splavu od fasina b)od punjenih fasina sa ispunom od sljunka I oblogom od kamena c)objekat od fasina I punjenih fasina d)od fasina sa laksom oblogom od kamena e)od punjenih korpi od gvozdene pocinkovane zice U novije vreme zbog nedostatka pruca,a I skupog lomljenog kamena ovakve gradjevine se sve cesce rade od dzakova delimicno punjenih peskom.Pesak se uzima direktno iz dna reke,najcesce sa konveksne strane ili gde vec ima formiranih sprudova,iz hidrociklonom se iz njih izdvaja voda I pune dzakovi koji se bacaju duz linije regulacione gradjevine.
Naper- je poprecna gradjevina u reci koja se gradi na konveksnoj obali,u cilju suzenja recnog korita,konkavna obala obavezno mora biti zasticena od erozije izgradnjom obaloutvrde.Naperi odbacuju tok reke ka sredini I uslovljavaju talozenje nanosa izmedju njih.
89
Sematski prikaz sistema napera I nacin njihovog dejstva 1-sistem uzvodnih napera;2-konkavna obala zasticena obaloutvrdom;3-osovina regulisanog korita 4-prirodna obala;5-zona istalozavanja nanosa u pocetku dejstva napera ;6-zona lokalne erozije
Sematski prikaz napera a)uzduzni presek b)izgled u osnovi c)karakteristicni poprecni profil 1-telo napera;2-glava napera;3-koren napera;4-grudi napera;5-ledja napera;6-kruna napera 7-splav od fasina Splav od fasina
90
Naperi se grade od istog materijala kao I traverse I paralelne gradjevine I obicno su usmereni suprotno od toka vode jer tada imaju najveci efekat.Uvek se grade u sistemu vise njih a razmak im se odredjuje iz uslova da obezbedi talozenje suspendovanog nanosa izmedju njih.Taj razmak je najbolje odrediti u laboratoriji na modelu ili oazanjima efekata vec izgradjenih napera odnosno uvek se prvo gradi najuzvodniji naper,tako da vec postoje posle njegove izgradnje odredjena iskustva. Pregrade-su gradjevine koje najcesce sluze za pregradjivanje rukavaca I starog napustenog korita.Projektuju se do kote srednje vode,a grade se od istih materijala kao I prethodni objekti.
Sematski prikaz dispozicije pregrada 1-glavni rukavac;2-rukavac koji pregradjuje;3-uzvodna paralelna gradjevina;4-srednja poprecna pregrada;5-nizvodna paralelna gradjevina;6-uzvodna I nizvodna poprecna pregrada kao alternative prvoj
91
Sematski prikaz poprecnog preseka pregrade a)pregrada od kamena sa slapistem u vidu splava od fasina b)pregrada od fasina,punjenih fasina I kamena 1-kamen;2-splav od fasina;3-fasine od pruca;4-punjene fasine Pragovi-su poprecne gradjevine u dnu recnog korita I sluze za sprecavanje erozije dna najcesce kod bujicnih tokova ili za zasipanje dubokih mesta kod aluvijalnih tokova (proloka).Kod pragova treba obratiti paznju da ne budu prepreka plovidbi.Gradnja I material su slicni kao kod prethodnih objekata. Korekcija recne trase presecanjem krivina (razvijenih meandara)
Sematski prikaz proseka a)izgled u osnovi b)uzduzni presek c)poprecni presek 1-staro korito;2-prosek;3-kineta;4-pregrade;5-obaloutvrda na konkavnoj strani;6-obaloutvrda na konveksnoj strani;7-kontura buduceg korita u zoni preseka;8-linija nivoa vodenog ogledala u prirodnom rezimu;9-linija dna u prirodnom rezimu;10-linija vodenog ogledala nakon prosecanja proseka;11-linija dna nakon prosecanja proseka
92
Radovi na formiranju major korita izgradnjom nasipa Nasipi-su regulacione gradjevine van recnog korita I sluze za sprecavanje izlivanja velike vode u inundaciju koja je iz nekih razloga postala gradjevinsko ili poljoprivredno zemljiste. Osnovni ciljevi svih regulacionih gradjevina su: 1)Uredjenje recnog korita u cilju njegove stabilizacije 2)Zastita priobalja od izlivanja velikih voda 3)Povecanje propusne moci korita u pogledu vode,leda I nanosa 4)Odrzavanje plovidbenog profila 5)Uredjenje recnog korita uzvodno I nizvodno od hidroenergetskog objekta u reci 6)Uredjenje u cilju evakuacije velikih voda ili za potrebe navodnjavanja I drugih vodozahvata pri malim vodama 7)Uredjenje korita duz deonice gradjevinskog reona 8)Uredjenje za potrebe turizma I rekreacije
Odbrana od poplava Velike vode javljaju se kao posledica velikih padavina (intenzitet I trajanje) I otapanja snega na slivu reke.Vrlo cesto se najvece poplave javljaju kao posledica kise koja je pala na debeo snezni pokrivac.U principu poplava kao termin pod kojim se podrazumeva plavljenje I unistavanje dobra ljudi koji zive pored reke nastaje bas kao uzrok delovanja tih ljudi,prema tome poplavu ne uzrokuje priroda vec ljudi koji su svojom delatnoscu narusili prirodnu ravnotezu reke.Tu se pre svega misli na pretvaranje inundacionog prostora u gradjevinsko I poljoprivredno zemljiste.Odbrana od poplava tj. Izgradnjom nasipa covek brani svoja dobra ali nizvodno od sebe pravi jos vece poplave,jer reka nema vise veliki proticajni profil u kome se rasplinjavala.
Hidrogram poplavnih talasa transformisani prolaskom kroz akumulaciju snabdevenu slobodnim prelivom a)slucaj kada je kota (KKP) jednaka koti (KNU); b)slucaj kada je kota (KNU)<(KKP); 1-ulazni talas;2-izlazni talas;tP-trajanje penjuce grane talasa;tS-trajanje silazne grane talasa
93
SISTEMI ZA ZAŠTITU OD SPOLJNIH VODA NA PODRUČJU VOJVODIN E
UVOD Zaštita od spoljnih voda je jedna od prvih vodoprivrednih delatnosti koje su se pojavile kroz istoriju na području Vojvodine. Naročito su intenzivni radovi na izgradnji nasipa uz reke vršeni krajem XIX i početkom XX veka. Kao posledica poplava koje su se desile na Dunavu 1965.g. usvojen je jedinstven princip izgradnje i rekonstrukcije odbrambene linije u Vojvodini. Napominje se da shodno topografskim i hidrografskim karakteristikama ovog područja u najvećem obimu sprovode se pasivne mere odbrane od poplava kroz izgradnju nasipa i kejskih zidova u naseljenim mestima. Od aktivnih mera odbrane od poplava izgrađeno je nekoliko višenamenskih ak umulacija na Fruškoj gori i jedna u Banatu (Mesić) čija je isključiva namena zaštita Vršca od poplavnog talasa potoka Mesić. Takođe je aktivna mera odbrane od poplava bila izgradnja kanala Hs DTD u Banatu, Novi Bečej - Banatska Palanka koji ima ulogu u pr ihvatanju i sprovođenju dela poplavnog talasa banatskih vodotokova koji se slivaju sa Karpata. Radovi i mere na zaštiti od poplava se mogu podeliti u pet aktivnosti i to: • prikupljanje, obrada i distribucija hidrometeoroloških podataka i informacija, • izučavanje hidrološkog i hidrauličkog režima kompletnih slivova reka i manjih vodotokova, • saradnja sa susednim državama oko izgradnje i održavanja hidrotehničkih i drugih objekata u slivu korita koji mogu da utiču na režim vodotoka, investiciona ulaganja u odbrambene objekte i njihovo održavanje shodno • interesima šire društvene zajednice, • sprovođenje operativne odbrane od poplava.
Ukupna vrednost objekata, na području sa kojim gazduje JVP "Vode Vojvodine", za zaštitu od spoljnih voda je procenjena pre tri godi ne i ona iznosi oko 1,25 milijardi američkih dolara. Pasivne mere odbrane od poplava izgradnjom nasipa i kejskih zidova
Bitno je napomenuti da su odbrambeni sistemi, naročito izgradnja nasipa i oduzimanje inundacije rekama, osim što su povećali odbrambenu sigurnost doveli i do povećanja nivoa velikih voda. Naime, u zadnjih stotinak godina nivoi velikih voda na Dunavu u zoni Bogojeva su se povećali za oko 1,6 m a na Tisi na profilu Sente za celih 3,0 m. Takođe su se u zadnjih stotinak godina vanredne odbran e od poplava prosečno javljale svakih 7 godina. Osnovna problematika odbrane od poplava na nasipima koji su bili izgrađeni u ranijem periodu mogla se rangirati na sledeći način: • nedovoljna visina nasipa u donosu na merodavnu veliku vodu, • nepovoljan popreč ni presek sa relativno strmom nizvdonom kosinom, uz neadekvatne materijale koji su se uzimalni sa lica mesta, ovo je uzrokovalo procednu liniju koja je izbijala vrlo visoko (čak i do prve bankine) sa stalnom opasnošću od klizanja branjene nožice a kapilatna voda je prokvašavala čak i krunu nasipa, loše fundiranje tela nasipa, naročito na mestima gde su se presecali • nekadašnji rukavci, 94
neizgrađenost regulacionih građevina za zaštitu obale od erozionog dejstva reke, iz ovog razloga ugrožava se nebranjena nožica a i smanjuje filtracioni put, odnosno povećava filtracioni gradijent ispod nasipa, • zaštitni šumski pojas se približio telu nasipa te ga korenje oštećuje i stvara privilegovane puteve, • nije se vodilo računa o protivfiltracionoj zaštiti kod izgradnje obj ekata (C.S., ustave, i dr.) koji se nalaze u samom telu nasipa, • veliki broj oštećenja u nožici nasipa i stvaranja privilegovanih tokova usled delovanja životinja. U Vojvodini odbrana od poplava sprovodi na 23 reke i kanala u ukupnoj dužini od 1161 km rečnog toka, odnosno 1222,81 km nasipa (Vodoprivredna osnova Vojvodine, DeoVI, poglavlje 3.-1987.g.). Naglašava se da od navedenog broja 11 vodotoka (Plazović, Kereš, Kanal DTD na 5 deonica, Vršački kanal, Mesić, Nadela i Obodni kanal (Laćarak) se mogu sa velik im procentom sigurnosti eliminisati iz sistema odbrane od poplava određenim regulacionim radovima. •
Dunav 26% Tisa 24% Sava 9% Tamiš 7% Oba Begeja 12% Ostalo 22%
Slika 1. Dužina odbrambenih nasipa na vodnim tokovima i kanalima u Vojvodini Za izgradnju i rekunstrukciju nasipa na Dunavu, Sa vi i Tisi usvojeni su sledeći kriterijumi: • računski vodostaj je 1% učestalosti, • nadvišenje nad računskim vodostajem je 1,20 m na nasipima, • nadvišenje nad računskim vodostajem je 0.70 u velikim gradovima (kejski zidovi). • nizvodno od Pančeva na Dunavu je nadvišenje nad računskim vodostajem 1,70 m, izuzev kod Banatske Palanke gde je 1,40 m. Generalno uzevši nasipi duž Dunava su rekonstrisani na oko 94% ukupne dužine dok je to na Tisi i Savi na oko 85% u odnosu na 1% veliku vodu. Na području Vojvodine od 1% ve like vode (100.g. povratni period) ugroženo je: • 1.000.000,00 ha površine (45% od ukupne površine), • 260 naselja, • 1.200.000 stanovnika, • 3.840 km puteva i 150 km pruge, 800 industrijskih objekta. • 95
Na kraju uvodnog dela ukazuje se da istraživanja globalnih promena u klimi u zadnjih nekoliko decenija ukazuju da su padavine, odnosno oticaji, u proseku manji nego u ranije ali da se javljaju češći ekstremi u smislu pikova. Na ovo ukazuju i dešavanja u zadnjih nekoliko godina kod nas i u svetu u smislu pojave ekstremnih poplava. Na primer tokom zime 1999.g. javile su se padavine karaktera povratnog perioda od 200.g. na nekim područjima Vojvodine.
Tipski poprečni profili nasipa Kao posledica šteta koje su nastale u Vojvodini od poplava od Dunava 1965.g. pristupilo se izradi "Programa za rekonstrukciju odbrambenih objekata za zaštitu od poplava na području SAP Vojvodine", koji je Skupština SAPV i usvojila 1967.g. Osnovna načela pri izradi datog programa, kao i dopuna koje su usledile posle poplava na Tisi 1970.g., su sledeća: • nasipi se izdižu 1,20 m od 1% velike vode na Dunavu i Savi a 1,00 m na Tisi, • kruna nasipa ima širinu od 6,0 m za dvosmerni saobraćaj, • nagib nebranjene kosine je 1:3, • nagib branjene kosine je 1:3 do visine nasipa 3,0 m a ako je nasip višlji nagib donjeg dela se kreće 1:5 do 1:7, • nasipi do visine od 2,0 m se izrađuju i pojačavaju sa koherentnim materijalom, nasipi višlji od 2,0 m grade se od koherentnog materijala u delu ekrana i od • filterskog (peska) materijala u ostalom delu profila, • koherentni ma terijal treba da ima zbijenost po proktoru veću od 95%, a filtarski deo se hidraulički ugrađuje do iznad visine provirne linije, kruna nasipa treba da ima dvostrani pad od 5% radi odvodnjavanja, odnosno • nadvišenje po osovini od 15 cm), Nasip se prekriva humusnim materijalom debljine 25-30 cm radi formiranja • zaštitnog travnatog pokrivača, • kod novih i izmeštenih nasipa koherentni deo tela nasipa uključuje se u tli pomoću "zuba" minimum u dubini dejstva mraza (1,0 m), na mestima rekonstrukcije starih nasipa gde su ranije evidentirana jaka procurenja • formira se u nizvodnoj nožisi koherentni zub minimalne dubine 1,5 m, • na mestima gde je korenje i panjevi od drveća stvorilo kaverne ispod nasipa raskopava se i ponovo ugrađuje koherentni materijal. Shodno usvojeni m načelima pristupilo se realizaciji datog programa, u principu usvojena su dva osnovna tipa poprečnog preseka sl.1. Za koherentni deo koristi se najčešće postojeći nasip a za pojačanje hidraulički ugrađeni pesak iz pozajmišta u samom koritu reke. Tip I se koristio više u prvim fazama rekonstrukcije posle odbrane na Dunavu 1965.g.kasnije je počeo intenzivnije da se primenjuje i Tip II koji sa aspekta ugrađenoj materijala je ekonomičniji a i izlazni hidraulički gradijent u branjenoj stopi je manji. Iz ovih r azloga preporuke su bile da se nadalje koristi Tip II.
96
Slika 2. Preporučeni tipski profili nasipa na odbrambenim linijama u Vojvodini
Na području Vojvodine rekonstrukcija nasipa prema navedenim i prihvaćenim načelima još nije izvršena na 24 lokacije. Faktički na Dunavu se to svodi samo na dve lokacije, kod Bogojeva i na ulivu DTD kod Novog Sada. U ovom trenutku razmišljanja su da se područje Novog Sada, zbog vrednosti dobara, zaštiti od 0,1% (hiljadugodišnje) velike vode. Z a ovo su potrebna izuzetno velika sredstva jer nije dovoljno izdići nasipe samo kod Novog Sada, već i znatno ispred i iza da voda nebi došla iza branjenog područja.
97
Slika 3. Poprečni presek obaloutvrde kod Novog Sada
98
STANJE ODBRAMBENE LINIJE
Pregled osnovnih karakteristika
Krajem osamdesetih odbrana od poplava i regulacioni radovi na području Vojvodine bili su podeljeni na 15 vodoprivrednih organizacija. Većini od njih osnovna delatnost je bila zaštita i od unutrašnjih i od spoljašnjih voda. Dok je nekima osnovna delatnost bila samo zaštita od spoljnih voda ili i regulacioni radovi. Shodno tome ukupna dužina odbrambene linije u nadležnosti JP "VODE VOJVODINE" je 1361,84 km, što je za oko 140 km duže nego srediom osamdesetih (Vodoprivredna osnova Vojvodine). Osnovni odbrambeni objekti pri pasivnoj odbrani od poplava, koja se sprovodi u ravničarskim područjima, su nasipi i kejski zidovi. Kejski zidovi se primenjuju u gradskim područjima radi zauzimanja manjeg prostora a i estetskih razloga.
Fotografija 1. Karakterističan izgled odbrambene linije sa nasipom
Fotografija 2. Kejski zid u Novom Sadu Ukupna kubatura nasipa koji su u nadležnosti JP "VODE VOJVODINE" je oko 90 miliona m3 , površina zaštitnog pojasa je oko 4 200 ha sa preko sto čuv arnica. Osim toga na odbrambenoj liniji postoji oko 800 kapija, više od 9 000 oznaka i 4 500 ha šumsko-zaštitnog pojasa.
99
Dunav 46% Tisa 32% Sava 4% ostali 18%
Grfaik 1. Zastupljenost kubatuta nasipa u Vojvodini
Dunav 41% Tisa 27% Sava 7% ostali 25%
Grafik 2. Zastupljenost površina za košenje nasipa u Vojvodini
Dunav 10% Tisa 82% Sava 7% ostali 1%
Grafik 3. Zastupljenost površine zaštićene obale oblogom u Vojvodini 2.2. Prioriteti u odbrani Pošto se u predhodnom periodu sprovodila restriktivna politika prema vodoprivredi a samim tim i objektima za odbranu od poplava, morali su se utvrditi određen i prioriteti shodno uticaju na smanjenje spremnosti objekata za prihvat velikih voda, odnosno smanjenje funkcionalne sigurnosti.
Usvojeni redosled prioriteta je bio sledeći: - zaštita gradova i naselja, - zaštita saobraćajnica, - zaštita obradivih površina i - zaštita pašnjaka i šumskog zemljiša. U okviru ukupnih radova prioritet imaju fukcionalni i redovni radovi , u slučaju potrebne dodatne redukcije redukuju se redovni radovi stim da prioritet imaju radovi kojima se omogućuje pristup, kontrola i in tervencije na nasipu. Kod regulacionih radova prioritet se daje radovima kojima se obezbeđuje zaštita od rušenja odbrambene linije i propusna sposobnost korita za velike vode. Kod određivanja prioriteta dodatno se sagledava stanje odbrambene linije u zavisnosti od stepena održavanja u predhodnom periodu i stepen izgrađenosti objekta u odnosu na potreban stepen zaštite. 100
2.4. Sadašnje stanje odbrambene linije Shodno kriterijumi koji su usvojeni za funkcionalnu sigurnost odbrambene linije, funkcionalna sigurnost, osim od redovnog održavanja , zavisi i od: investiciona ulaganja na dogradnji i rekonstrukciji nasipa da bi se ti kreterijumi • zadovoljili, sanacioni zahvati na "slabim" mestima gde se javlaju procurenja, erozija obale, i • druge pojave koje ugrožavaju stabilnost odbrambene linije.
Fotografija 3. Nasip koji ne zadovoljava visinu za merodavnu veliku vodu
Fotografija 4. Posledice koje nastaju usled nedovoljne visine nasipa
Relativno gruba procena, ne postoji za sve lokacije tehnička dokumenta cija, a na osnovu cene rekonstrukcije od 15 do 30 miliona dinara po kilometru nasipa, ukazuje da je za investiciona ulaganja na dogradnji i rekonstrukciji odbrambene linije potrebno oko 3.625.000,00 din ( 60.000.000,00 EU). Sanacioni zahvati na slabim mestima su detektovani na osnovu zapisnika sa odbrane od poplava, gde je poplava iz avgusta 2002.g. ukazala na mnogobrojne probleme vezane za provirne vode. Shodno tim zapisnicima formirana je lista sanacionih mesta Napominje se da 101
osim sanacije slabih mesta sa aspekta provirnih voda na funkcionalnu stabilnost odbrambene linije direktno utiču i ljudi koji svojim bahatim ponašanjem ugrožavaju odbrambenu liniju, prikazano na narednim fotografijama.
Fotografija 5. Iz tela nasipa krade se pesak za izgradnju objekata koji će sutra zbog toga biti poplavljeni !
Fotigrafija 6. Divlja gradnja na nebranjenoj kosini nasipa !
2.5. Procena funkcionalne sigurnosti odbrambene linije kroz analizu poplavnih talasa
Procena funkcionalne sigurnosti će se izvršiti na osnovu analize poplavn ih talasa na Dunavu sektor L.O. Državna granica-Bogojevo (D.12) od Km 0+000 do Km 61+394. Analiza je izvršena za period od 1994.g. do danas, dostupan obrađivaču, a podaci su uzeti iz zapisnika o odbrani. Pre analize podataka konkretnih poplava prikazaće s e osnovne karakteristike poplavnih talasa određenog povratnog perioda za ovu deonicu, podaci su obrađeni na osnovu VOV.
102
Tablica 1. Osnovni parametri poplavnog talasa određenog povratnog perioda Vodo. Proglašenje 1% (100 god.) 2% (50 god.) 5% (20 god.) 10% (10 god.) stanic odbrane velika voda velika voda vrloka voda velika voda a nivo trajanje nivo trajanje nivo trajanje nivo trajanje dani dani dani dani R.O. V.O. R V R V R V R V cm cm m m m m Bezdan "0"= 80.64 Apatin "0"= 78.84 Bogoje. "0"= 77.46 B.Pala n. "0"= 73.97 N. Sad "0"= 71.73
550
700
88.6 80 5
35
88.3 9
28
62
87.8 20 9
46
87.5 2
34
0
600
750
87.4 8
-
-
87.2 4
-
-
86.7 9
-
86.4 2
-
-
600
700
86.1 4
86
44
85.7 54 1
30
85.2 1
36
21
84.7 27 1
14
530
650
82.1 5
-
-
81.8 7
-
81.2 2
-
-
80.7 7
-
550
700
79.7 82 8
50
79.7 66 3
40
78.7 48 8
26
78.3 8
0
36
U tablici 1. osim vodostaja prikazana su i trajanja vodostaja pri kome se proglašava redovna odbrana (R.O.) i vanredna odbrana (V.O.) od poplava. Naime, karakteristika poplavnog talasa nije samo njegov špic već i trajanje koje takođe doprinosi povećanju pornih pritisaka u branjenoj nožici ali i formiranju filtracione linije kroz nasip. U sledećoj tablici prikazane su osnovne karakteristike devet poplavnih talasa od 1994.g. do danas, s vakako da bi analiza imala još veću težinu da su se mogli prikupiti podaci o poplavnim talasaima od sedamdesetih godina do danas. Međutim, za to je potrebno uložiti značajan napor da se svi izveštaji o poplavnim talasima iz tog perioda prikupe. Tablica 2. Osnovni parametri poplavnih talasa 1994.g. - 2003.g. Poplava
Vodomer
Nivo maks.
Trajanje R.O. V.O. dan dan
19.04.30.04. 1994. 08.06.23.06. 1995. 11.07.06.08. 1197. 13.11.20.11. 1998. 07.03.-
Povratn Zapažanje i period godine
Bezdan Apatin
m.n.m . 86.72 85.44
7 8
0 0
4 4
7 izvora i na 4 mesta vodoleži
Bezdan Apatin
86.22 85.01
4 6
0 0
2 2
1 izvor i na mnogo mesta vodoleži zbog kiša
Bezdan Apatin
87.38 86.16
22 22
0 0
8 8
Bezdan Apatin
86.27 85.10
2 3
0 0
2 2
Bezdan
86.45
6
0
3
20 izvora i na 29 mesta vodoleži sa prokvašavanjem kosine nema ivora ali ima mnogo vodole. zbog kiša i unutrašnjih voda 8 izvora, od čega na tri lokacije 103
20.03. 1999. 26.05.09.06. 1999. 02.04.14.04. 2000. 16.08.29.08. 2002.
Apatin
85.16
7
0
3
grupa izvora, dosta vodoloži
Bezdan Apatin
86.74 85.53
10 13
0 0
4 4
9 izvora i preko 20 mesta sa vodoleži i prokvašavanjem
Bezdan Apatin
86.44 85.14
6 8
0 0
3 3
3 izvora, jer su predhodni sanirani
Bezdan Apatin
87.78 86.43
11 11
2 2
15 11
41 izvor i 30 vodoleži
a 90 z a s a l a . 89 t g m . o n n . v m a 88 l p n a o d p z o e v B 87 i i n l i f n o r l a p 86 m i s k a m 85
1%V.V.(88.65)
V.O.(87.64)
R.O.(86.14)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
broj i zvora u branjenom terenu
Grafik 5. Zavisnost broja izvora od maksimuma poplavnog talasa
Iz ove analize se uočava korelacija između vodostaja, odnosno povratnog perioda, i broja izvora u nožici nasipa. Jasno je da i pored toga što kota krune nasipa zadovoljava potrebnu visinu za prihvat 1% velike vode sigurnost nasipa će biti ugrožena zbog velikog broja izvora. Faktički dovodi se u pitanje mogućnost kvalitetne intervencije kod tako velikog broja procurenja. Posebno se ukazuje na problem dužine trajanja poplavnog talasa, ovde se ukazuje na talas iz 2002.g. čija je kota bila za samo 0.87 m niža od 1% ali je trajanje bilo izrazito kratko. Može se sa sigurnošću reći da bi trajanje redovne odbrane od 80 dana i vanredne od 35 dana, koliko je to za 1% veliku vodu, uzrokovalo velike probleme na ovakvoj odbrambenoj liniji. I pored relativno malog povratnog perioda poplavnog talasa iz avgusta 2002.g. javio se veliki broj procurivanja ispod nasipa pa se sa sigurnošću može reći da bi pri nailsku merodavne 1%-tne velike vode došlo do prodora nasipa na tim slabim mestima bez obzira na visinu krune nasipa. Karakteristika talasa iz 2002.g. je i to da je nizvodno od Bezdana špic talasa jenjavao i da je kod Novog Sada njegov vrh imao povratni period od samo 5 godina. Međutim, funkcionalna sigurnost odbrambene linije je kao i jačina lanca, odnosno jednaka je najslabijoj kariki. Iz ovog razloga se prioritetno moraju izvršiti sanacioni radovi na uočenim lokalitetima. Pošto u široj društvenoj zajednici vlada mišljenje da se poplave događaju nekim drugima a da smo mi "sigurni" prikazaće se 104
nekoliko fotografija koje prikazuju poplave izazvane prodorom nasipa na Tamišu i Đalskog nasipa.
Fotografija 7. Prosek nasipa na Brzavi radi prijema poplavnih voda Tamiša
Fotografija 8.. Miniranje pruge radi upuštanja poplavnih voda Tamiša u "kasetu" između Tamiša i Brzave
105
Fotografija 9. Poplava na Tamišu 2002.g.
Fotografija 10. Prodor nasipa na levoj obali Tise kod Đale
Fotografija 11. Hidra ulička ugradnja peščanog dela rekonstruisa
106
HIDROTEHNIČKE MELIORACIJE 1. SVRHA MELIORATIVNIH RADOVA
Samo ime predmeta potiče od latinske reči "melioratio"-poboljšanje. U ovom slučaju to se odnosi na poboljšanje plodnosti zemljišta. Cilj radova u melioracijama je dobijanje maksimalno mogućih i ekonomski opravdanih prinosa, koji su produkt ne samo melioracionih radova već i ostalih agrotehničkih uslova. Voda igra značajnu ulogu u fizičkim procesima povećanja plodnosti, stabilnosti maksimalnih pr inosa i povećanja površina obradivog zemljišta. Bilo da se radi o zamočvarenom prevlaženom zemljištu (odvodnjavanje), ili o deficitu vode u aridnim krajevima (navodnjavanje). Građevinski inženjeri prevashodno obrađuju hidrotehnički aspekt melioracija, dok se biološki i biotehnički obrađuju u obimu koji je nužan hidrotehničkom inženjeru da bi mogao sa razumevanjem da pristupi hidrotehničkim radovima. U našim klimatskim uslovima potreba za ovim radovima javlja se usled neravnomernog rasporeda padavina i evapotranspiracije tokom hidrološke godine: o 01.10. - 31.03. - vanvegetacioni period i o 01.04. - 31.09. - vegetacioni period. Uzevši u obzir rezervu vode u tlu koja se akumuliše u vanvegetacionom periodu (oko 100-150 mm) a troši u vegetacionom, može se sa sigurnoću reći da se i u prosečnoj godini javlja deficit padavina od približno 150 - 250 mm. Kod odvodnjavanja u prosečnoj godini nema većih viškova vode za evakuisanje, ukoliko su padavine jedini pozitivan ulaz u bilansnoj jednačini. Prethodna konstatacija se odnosi na godišnji bilans, medjutim, potrebe za odvodnjavanjem se mogu javiti i usled obilnih pljuskova u vegetacionom periodu. Prema tome, osnovna svrha hidrotehničkih melioracija je veštačko regulisanje vodnog režima u rizosvernom (aktivnom) sloju zemljišta. Glavni radovi prema iznetom su odvodnjavanje i navodnjavanje , s tim da treba naglasiti da su meliorativni radovi sklop raznih meliorativnih mera gde su hidrotehnički radovi jedni od najznačajnijih na poboljšanju prinosa. Pošto su melioracije s klop raznih naučnih oblasti, gde udela osim fundamentalnih nauka (matematika, fizika, hemija, biologija) imaju i druge naučne oblasti (hidraulika, hidrologija, pedologija, agrofizika, fiziologija, šumarstvo, konstrukcije, ...), jasno je da jedan inženjer ne može da objedini sva ova saznanja. Zbog toga je prilikom projektovanja i gradjenja ovih sistema potrebno formirati tim stručnjaka iz različitih oblasti, dok je zadatak hidrotehničkog inženjera da osim prenošenja svojih saznanja objedini i rad ostalih. 2. VODNO- FIZIČKA SVOJSTVA ZEMLJIŠTA
Zemljište, kao hranljiva sredina za biljke, ima izuzetan značaj za ljudski rod i predstavlja jedno od najvećih prirodnih bogatstava. Osnovna osobina zemljišta je plodnost koja podrazumeva da ono sadrži u sebi u odredje nim količinama sve tri faze (agregatna stanja): čvrstu, tečnu i gasovitu . Čvrsta faza se sastoji iz dve koponente; mineralne i organske. U potpuno formiranim zemljištima ove dve komponente su medjusobno spojene ( organomineralni kompleks ). Nasuprot ovim zemljištima, postoje i nerazvijena zemljišta, u četinarskim šumama, gde je mineralna komponenta sa organskom samo mehanički izmešana. Mineralna komponenta je u osnovni i preovladajući deo kod većine zemljišta. Deli se na neraspadnute minerale (kamenje, šljunak i pesak) i na fino disperzni deo koji je u fazi raspadanja i karakterišu ga koloidne osobine. Raspadanje se obavlja pod uticajem 107
zajedničkog delovanja vode, vazduha i živih organizama (fizičko, hemijsko i biološko raspadanje). Organska komponenta čv rste faze nastala je kao produkt živih organizama i bioloških procesa. Delovanjem mikroorganizama raspadanjem, od biljnih ostataka, stvaraju se humusna jedinjenja. Shodno tome, ovu komponentu čine biljke, životinje, mikroorganizmi i njihovi mrtvi ostaci. Evolucijom organske komponente, biološka i faza dozrevanja, nastaju humusne materije. Humusne materije stupaju u fizičko -hemijsku vezu sa mineralnom komponentom (glinenim mineralima) i stvaraju organomineralni kompleks . Druga faza zemljišnog rastvora se sastoji od u vodi rastvorenih materija i naziva se zemljišni rastvor. U šupljinama zemljišta nalazi se i treća gasovita faza. Ona se zbog razlike po učešću sastavnih delova razlikuje od atmosverskog vazduha i naziva se zemljišni vazduh. Značaj poznavanja v odno- fizičkih svojstava zemljišta ogleda se u definisanju plodnosti, mogućnosti uspevanja odredjenih biljaka i mera kojima se plodnost može pospešiti. neraspadnuti minerali (kamenje, šljunak i pesak) 1. mineralno fino disperzni deo (koloidi)čvrsta faza (organomineralni kompleks) 2. organska (humusne materije) 2.1. Oblici pojave vode u zemljištu Voda je u zemljištu činilac mnogih fizičkih i hemijskih procesa a ujedno je i rastvarač i transporter hranljivih materija. Jedna od vrlo često korišteni h podela pojave vode u tlu je: a) Hemijski vezana voda je voda koja se nalazi u strukturi samih minerala (kristalna rešetka) i samim tim nije interesantna kod biljne proizvodnje. b) Higroskopska voda je voda koja se molekularnim silama vezuje za čestice materijala i u gasnom je stanju (vodena para). Količina higroskopske vode u zemljištu zavisi od relativne vlažnosti okolnog vazduha i u koliko je vlažnost vazduha 100% u zemljištu će se formirati maksimalni higroskopicitet. c) Opnena voda se akumuliše u z emljištu povećanjem njegove vlažnosti iznad maksimalnog higroskopiciteta. Karakteristika opnene vode je da se oko zrnca materijala stvara opna od čijeg radijusa zavisi kojom je silom ta voda vezana za zemljište, s tim da su te molekularne sile znatno manje nego kod higroskopske vode. Slabo je pokretljiva i u velikom delu nije na raspolaganju biljkama. Te se pomera sa jedne čestice na drugu na kojoj je vodeni sloj tanji. d) Daljim dodavanjem vode zemljištu opna oko čestica zemljišta postaje veća što ujedno smanjuje silu sa kojom je ona vezana. U jednom trenutku, kada je ta sila dovoljno oslabila (maksimalna molekularna vlažnost), na dalju količinu vode u zemljištu počinju da deluju kapilarne sile. Ovo je još teško pokretljiva voda (isprekidana kapilarna voda). Daljim dodavanjem vode ona postaje sve pokretljivija i kod sila manjih od 6.25 bara voda počinje da se kreće pod dominantnim uticajem kapilarnih sila. Ova kapilarna voda je lako pokretljiva i predstavlja glavni izvor vode koju biljka koristi iz zemljišta. e) Gravitaciona voda nastaje u trenutku popunjavanja kapilarnih pora, tj., daljim dodavanjem vode u uzorak, ona počinje da se kreće pod uticajem gravitacione sile. Ove sile imaju dominantni uticaj na vodu koja je za čestice zemljišta vezana manjim sila ma od 0.3-0.5 bara. Gravitaciona voda zbog svoje velike pokretljivosti uglavnom nije na raspolaganju biljkama, naime ukoliko je nivo P.V. nizak brzo otiče iz zone korenovog sistema. S druge strane u koliko zbog visokog nivoa podzemne vode ova voda ostane u zoni korenovog sistema, tada narušava vodno-vazdušni režim, tj., uzrokuje oglejavanje i zabarivanje zemljišta 2.2.
Vodne konstante 108
U prethodnim delu naznačeno je da postoji nekoliko tačaka vlažnosti koje se razlikuju i po aspektu pojave vode u tlu, njenog kretanja, kao i sa aspekta sila sa kojima je ta voda vezana za čestice tla. Takodje je naznačeno da ove tačke vlažnosti nisu konstantne čak ni za istu vrstu tla (histerizis). U daljem delu ovog poglavlja navešće se uobičajeni nazivi ovih ″ konstanti″ i vrednosti sila kojima je voda vezana za zemljište pri njima. U praksi je uobičajeno da se visine kapilarnih pritisaka (sila sa kojima je voda vezana za zemljište), zbog velikih vrednosti, izražavaju u logaritamskoj razmeri gde je (h c) u cm (Schofield, 1935.). pF
= log10 hc = log10 ( −
pc γ w
)
Poljski vodni kapacitet (PVK) je vlažnost zemljišta pri kojoj vlada ravnoteža izmedju kapilarnih i gravitacionih sila. Ova vlažnost predstavlja donju granicu do koje se reguliše vlažnosti zemljišta u odvodnjavanju, tj., vlaž nost zemljišta se ne može spustiti ispod te tačke tehničkim merama koje se primenjuju u odvodnjavanju. U poljskim uslovima (odatle i naziv) PVK je maksimalna količina vode koju dato zemljište može da zadrži u sebi posle intenzivnih padavina i ocedjivanja iz njega u toku 2-3 dana, stim da se u tom vremenenu trebaju sprečiti gubici na isparavanje pokrivanjem površine zemljišta slamom. Za orijentacione vrednosti PVK u praksi se usvaja količina vlage preostale posle opterećivanja uzorka sa silom od 0.33 bara (pF=2.5). Značaj ove konstante je u tome što se ona nalazi na granici kapilarne i gravitacione vode, tj. predstavlja gornju granicu lakopristupačne vode za biljke. U praksi se vrlo često ova količina vode naziva retencionim kapacitetom. Lentokapilarna tačka (LKT) nalazi se na granici kad voda počinje da se kreće pod dominatnim uticajem kapilarnih sila. U pedološkoj literaturi ova tačka se naziva i vlažnost prekida kapilarne veze. Ovaj prelazak se odvija pri sili od 6.25 bara (pF=3.8 ). Količina vode koja preostane posle opterećivanja uzorka ovom silom naziva se vlažnost LKT. Ta konstanta ima značaj u tome što predstavlja donju granicu lakopristupačne vode za biljke. Vlažnost trajnog venuća (V c ) je vlažnost preostala posle opterećivan ja uzorka silom od 15 bara (pF=4.2). Naime, ispitivanja su ukazala da korenov sistem može maksimalno da iz zemljišta izdvoji vodu vezanu silama do 15 bara. Značaj ove tačke je utome da ona predstavlja donju granicu fiziološki aktivne vode, medjutim pri intenzivnoj poljoprivrednoj proizvodnji ne sme se dozvoliti da vlažnost zemljišta padne na ovu tačku jer u tom slučaju već dolazi do trajnog venuća biljke. Izmedju lentokapilarne tačke i tačke svenjavanja nalazi se isprekidana kapilarna voda, odnosno nema kontinualnog kretanja vode u kapilarima zemljišta što onemogućava snabdevanje biljnog korena. Maksimalni vodni kapacitet (W max ) je vlažnost zemljišta kada su sve pore popunjene sa vodom (kapilarne i gravitacione), ali to je teško postići jer je u jednom delu pora teško istisnuti preostali vazduh. Iz tog razloga ova vlažnost je nešto manja od ukupne poroznosti. Vlažnost izmedju PVK i NJ max nije interesantna sa strane poljoprivredne proizvodnje jer ili pod uticajem gravitacionih sila brzo otekne u podzemlje, il i se u slučaju visokog nivoa P.V. evakuiše odvodnim sistemom.
voda u tečnom stanju H max voda u gasnom stanju 30 bar
V S
LKT
PVK
teže nepristupačna pristupačna voda voda 15 bar
W max
lako pristupačna gravitaciona voda voda
6.25 bar
0.33 bar
0
fiziološki aktivna voda 109
Šematski prikaz oblika pojave vode u tlu
Najčešći oblici pF krive
3. ODVODNJAVANJE
3.1. Merodavne količine za odvodnju Da bi se odredile merodavne količine vode za odvodnju (ili navodnjavanje) potrebno je uraditi vodni bilans posmatranog područja. Na osnovu vodnog bilansa u nekom vremenskom intervalu dolazi se do hidromodula sistema q (l/s ha ) na koji se dimenzionišu tehnički elementi sistema.
Jednačina bilansa: P
Šematski prikaz jednačine vodnog bilansa
+ Q kv ± Q kh ± Q p − ( E + T ) = ± ∆W
P
T
Zona obrade
E
Qp
ha
kh
Hk NPV Qkv
P E T Qkv Qkh
- efektivne padavine u analiziranom periodu, - evaporacija u analiziranom periodu, - transpiracija u analiziranom periodu, - promena vlažnosti pod uticajem kapilarnih sila kretanjem u vertikalnom pravcu, - promena vlažnosti pod uticajem kapilarnih sila u horizontalnom pravcu, 110
∆W
H k Q p ha
- povećanje ili smanjenje vlažnosti zemljišta u analiziranom periodu. - visina kapilarnog kretanja vode, - površinski doticaj ili oticaj, - aktivna dubina korenovog sistema.
Gledajući gener alno za Vojvodinu od celokupnih padavina 26% je oticaj u otvorene tokove, od čega 15% površinski a 11% podzemni, dok je 74% isparavanje. 3.2. Hidromodul sistema na bazi zimsko prolećnih viškova Ovaj hidromodul proizašao je iz viškova nastalih tokom zim e i u rano proleće a koji se moraju odvesti do 01.04. zbog zahteva savremene poljoprivredne obrade (poljoprivredne mašine moraju ući u zemljište u optimalnim rokovima setve). Odredjivanje viškova vrši se bilansiranjem padavina i ETP u vanvegetacionoj sezoni. Da bi se moglo pristupiti bilansiranju potrebno je znati stanje vlažnosti zemljišta na početku tog perioda (01.10.). Istraživanja su ukazala da je ta početna vlažnost na nivou lentokapilarne tačke (LKT), što je i logično, jer je pre tog perioda bio letn ji period sa izrazitom ETP. Na kraju vanvegetacionog perioda (01.04.) vlažnost zemljišta treba da je na nivou poljskog vodnog kapaciteta (PVK), jer se tokom zimskog perioda akumulisala zemljišna vlaga koja služi kao rezerva predstavlja lakopristupačnu vodu (LPV) za nastupajući vegetacioni period. r = LPV = PVK – LKT Bilansiranje se vrši za svaku godinu za koju postoje mereni podatci o padavinama, temperaturama (ETP) i ostalim elementima bitnim za bilans. Broj analiziranih godina, zbog mogućnosti statističke obrade, ne bi trebao biti manji od 30. Statističkom obradom dolazi se do destogodišnjeg viška, ili viška 10% verovatnoće pojave (v 10%). Tako dobijen višak u mm se pretvra u l/ha i deli sa vremenom odvodnje. Ranije se napomenulo da se viškovi moraju odvesti do 01.04. svake godine kad počinje poljoprivredna obrada zemljišta. U našim kljimatskim uslovima srednje dnevne negativne temperature, u kontinuitetu, prelaze u pozitivne početkom marta. Uzevši da je snegu i ledu u kanalima potrebno da se otope 5-10 dana to iz predhodnog vreme odvodnjavanja iznosi 15 do 20 dana. q
=
v T
=
v10% 10
4
15 x8640
3.3. Hidromodul sa strane ekstremnih padavina i podzemnog doticaja
Tokom vegetacionog perioda vrlo često se javljaju ekstremne kratkotrajnije padavine koje saturišu zemljište i posle 3 dana dovode do smanjenja prinosa na poljoprivrednim kulturama. Zbog toga ih je potrebno prikupiti i odvesti u tom roku. Osim padavina vrlo često imamo i podzemni doticaj narošito ako se poljpšrivredna površina nalazi pored reke (polder). Mereni podaci o padavinama ukazuju da se ekstremne 24- oro časovne padavine najčešće javljaju u junu -julu mesecu, medjutim merenja izvršena na drenažnim sistemima ukazuju da se maksimalni oticaji javljaju u periodu mart-april. Prema tome kod d imenzionisanja drenažne mreže najčešće se kao merodavne padavine usvajaju 24-oro časovne 10-to godišnjeg povratnog perioda u aprilu . Razlog za ovo je znatno veća ETP u junu- julu kao i činjenica da je zemljište tada suvlje, odnosno postoji mnogo veća mogućn ost prihvatanja viškova padavina u rezervu koja je obično tada već prazna. q
P10% ETP
=
P10%
−
nETP − nI n
+
q p.v.
- padavina 24 časovnog trajanja i 10% verovatnoće pojave u aprilu, - dnevna evapotranspiracija u aprilu, 111
I n q p.v. strane reke.
- dnevna infiltracija u dublje slojeve (ukoliko je nivo podzemne vode visok onda se ona uzima da je 0), - braoj dana odvodnje = 3 dana i - doticaj dodatne vode iz podzemlja po obodu sistema a najčešće od
Veličina hidromodula odvodnjavanja u našim uslovima se najčešće kreće oko 0.8 1.0 l/sha, ukoliko imamo i doticaj podzemnih voda od strane reke veličina hidromodula može da bude i do 2.0 l/sha. Ovo su najčešće veličine koje se nalaze u normama većine zemalja sa intenzivnom poljoprivrednom prizvodnom. Na žalost kod nas takve norme još nisu propisane. Zbog zastarelosti odvodnih sistema u Vojvodini, gradjeni pre 30 i više godina, mnogi imaju manji hidromodul od potrebnog. Zimsko prolećne v iškove 10-to godišnjeg povratnog perioda 64% C.S. evakuiše za više od 30 dana. Prosečan hidromodul u Vojvodini iznosi 0.46 l/sha, dok ima novijih sistema gde hidromodoli prelaze 1.0 l/sha (srednja Bačka i deo Podunavlja).
4. ELEMENTI SISTEMA ZA ODVODNJAVANJE Da bi se obezbedila namena i funkcionalnost sistema za odvodnjavanje potrebno je izgraditi odgovarajuće objekte. Osnovni cilj svih ovih objekata je efikasna odvodnja viška voda, bilo da su one nastale kao posledica padavina na sistem (unutrašnje vode) ili kao posledica površinskog i podzemnog doticaja po obodu sistema (spoljne vode).
1 - vodoprijemnik (recipijent), 2 - ustava ili pumpna st., 3 - glavni kanal, 4 - odv. kan. prvog reda, 5 - otvoreni sabirni kanali, 6 -obodni kanal, lateralni kanal, 7 - cevni drenski kolektor, 8 - horiz. cevna drenaža, 9 - cevasti propusti, 10 - revizioni šahtovi, 11 - putna mreža, 12 - obodni drenovi, 13 - regulacioni objekti (kaskade, ustave, ...) 112
Elementi sistema za odvodnjavanje
Vodoprijemnik (recipijent) - je najčešće prirodni vodotok, magistralni kanal (DTD) ili jezero. Kod projektovanja odvodnog sistema potrebno je prikupiti sledeće podatke o vodoprijemniku: krivu trajanja vodostaja (posebno za celu godinu i posebno za kritične periode odvodnje), kao i funkciju učestalosti visokih vodostaja. Na osnovu krive trajanja vodostaja donosi se odluka kakav objekat treba projektovati (gravitaciono, pumpanjem ili konbinovanjem), a na osnovu učestalosti visokih vodosta ja odredjuje se napor pumpi (visina dizanja) ukoliko su predvidjene. Objekat za evakuaciju viškova vode - kao što je prethodno navedeno, tip ovog objekta zavisi od režima vodoprijemnika. Ukoliko je kriva trajanja vodostaja ukazala da je u periodu odvodnje nivo u vodoprijemniku duže vremena viši od nivoa u glavnom kanalu, projektuje se pumpna stanica. U obrnutom slučaju projektuje se ustava za gravitacioni ispust vode. U nekim slučajevima ekonomske analize ukazuju, na osnovu ušteda električne energije u odnosu na pumpanje, da je opravdano graditi zajedno i gravitacioni ispust i ispust pumpanjem. Glavni kanal - prikuplja vodu sa celog sistema i dovodi je do evakuacionog organa. Kod ovog kanala je potrebno obratiti pažnju na deonicu u blizini evakuacionog organa. Naime kod visokih vodostaja recipijenta vrlo često na toj deonici glavnog kanala, usled velikih gradijenata, dolazi do nestabilnosti dna i kosina. Sa druge strane, usled nestručnog rukovanja kod puštanja u rad pumpi, dolazi do naglog snižavanja vode u kanalu a što opet dovodi do narušavanja stabilnosti kosina. Obodni kanal - ima funkciju da prikupi površinske i podzemne vode na granici sistema, sa susednih površina, koje gravitiraju ka posmatranom sistemu (sakuplja spoljne vode). NJegova je funkcija nar očito izražena kod sistema koji su niži od okolnih površina, tj. nalaze se u bivšim inundacijama pored rečnih tokova, a koje su izgradnjom odbrambenih nasipa zaštićene od plavljenja velikih voda reke. Drenski kolektori (zatvoreni) - imaju funkciju da prihvate sakupljene vode iz drenažne mreže. Najčešće se grade u slučajevima nepovoljinih topografskih uslova kad bi otvoreni kolektorski kanali bili neekonomični. S druge strane grade se i kod površina gde se planira i izgradnja zalivnih sistema, u slučajevima kad bi otvorena kanalska mreža sa svojom dispozicijom postavljala odredjene tehničke probleme pri dislociranju zalivnih uredjaja (veliki broj prelazaka mašina). Horizontalna cevna drenaža - ima funkciju da prikuplja viškove površinskih i podzemnih voda. Gradi se najčešće od perforiranih PVC cevi φ 50 - 65 - 80 mm sa ili bez šljunčanog ili nekog drugog spojnog filtra. Putna mreža - ima funkciju da omogući saobraćaj na sistemu, tj. nesmetan prilaz obradivim površinama. Sastoji se iz ze mljanih puteva, kod kojih se ponekad koristi krečna ili cementna stabilizacija, kao i asfaltnih ili betonskih puteva lokalnog karaktera. Pri projektovanju zalivnih sistema putna mreža se usaglašava sa datim rešenjem, naime izbegavaju se površine nepravilnog oblika zbog rada poljoprivrednih mašina kao i veliki broj ukrštanja sa kanalskom mrežom (veliki broj propusta dovodi u pitanje ekonomičnost sistema). Obodni drenovi - se grade u slučajevima kad obodni kanali, iz nekih razloga, ne mogu da se predvide. Imaju funkciju da prikupe infiltrirane vode reke, ili dotok podzemne vode sa viših terena, i na taj način spreče njihov uticaj na izdizanje nivoa podzemne vode unutar sistema. Grade se najčešće od drenažnih PVC cevi većih prečnika. Mogu da se predvide i vert ikalni drenovi (bunari) kao što je to slučaj u priobalju Dunava zbog izgradnje H.E. Djerdap.
113
Objekti na sistemu (propusti, mostovi, kaskade, ustave, revizioni šahtovi ...) - imaju funkciju da omoguće tehničku funkcionalnost sistema. 4. OBJEKTI NA ODVODNIM SISTEMIMA 4.1. Propusti i mostovi Ovi objekti su najbrojniji na meliorativnim sistemima i služe za prelaz preko kanala na mestima ukrštanja putne i kanalske mreže. U zavisnosti od ranga kanala, kategorije puta i hidrauličkih uslova razlikuju se: tipski cevni propusti kružnog ili četvrtastog otvora, pločasti propusti l < 10 m i mostovi l > 10 m.
Tipski cevni propusti se grade najčešćeg prečnika od φ 600 mm do φ 1200 mm. Manji prečnici se ne preporučuju zbog mogućnosti čišćenja i održavanja, a kod potrebe za većim prečnikom od φ 1200 mm najčešće se iz konstruktivnih i hidrauličkih razloga prelazi na cevaste propuste četvrtastog oblika, ili se ugradjuju dve kružne cevi. Kod projektovanja i gradnje cevastih propusta bitno je obratiti pažnju na visinu nadsloja iznad cevi propusta koja ne bi trebala biti manja od 0.8 m, ovo je potrebno zbog rasprostiranja opterećenja od sve težih saobraćajnih opterećenja. Takodje, treba izvršiti pravilno nabijanje zemlje ok o i iznad cevi. Naime, naročito kod zemljanih puteva dolazi do raskvašavanja tog nadsloja, a što pri prelasku težih vozila i mašina može dovesti do pucanja cevi usled nepovoljnog rasprostiranja opterećenja. Ovo je naročito opasno kad su spojevi cevi nesolidno izvedeni pa filtracijom vode dolazi do unošenja čestica zemlje na tim spojevima. Zbog toga se vrlo često oko cevi nabija masna glina i/ili se spojevi prevlače trakom od bitumenske hartije. Za ovo je vrlo bitna i solidno izvedena posteljica od šljunka d ebljine oko 15 cm. Statički proračun se sprovodi kao kod grede na elastičnoj podlozi, s tim da proizvodjači ovih cevi već imaju ateste koji se prilažu u projektu. Debljine zidova cevi su najčešće veće ili jednake 1/10 prečnika cevi, zbog sve većeg opterećenja poljoprivrednih mašina i transportnih sredstava ove cevi se izradjuju od armiranog betona. Zbog činjenice da se najintenzivniji poljoprivredni radovi izvode u rano proleće i kasnu jesen, kad su putevi raskvašeni, preporuka je da se niveleta puta u profilu propusta izdigne sa P
Unutrašn e vode
prilaznim rampama 1:15 i da se uradi poprečni nagib nasipa 4%. U praksi se kod kanala nižeg reda najčešće koriste propusti bez krilnih zidova sa kosom tipskom glavom. Ovi propusti su u svakom slučaju jeftiniji od propusta sa vertikalnim krilima, medjutim baš zbog raskvašenosti zemljanih puteva mnogo je veća nesigurnost prelaska preko njih. Širina puta u profilu propusta ne bi smela biti manja od 5 m sa bankinama od 0.75 m.
114
Podužni i poprečni preseci tipskog cevastog propusta
Preseci propusta sa vertikalnim zidom Prečnik propusta se odredjuje iz hidrauličkog proračuna uspora koji uzrokuje tak av jedan lokalni poremećaj tečenja u kanalu. Najčešći uslov za dobro odabrani prečnik propusta je da uspor ne bude veći od 5 cm (h n - hu < 5 cm). Naime, u meliorativnim kanalima skoro isključivo je tečenje mirno (Frudov broj F r < 1) pa se uticaji prenose uzvodno tj., merodavni profil je nizvodno od propusta.
Skica za proračun 115
Za odredjivanje veličine uspora, odnosno dubine u preseku 1, prvo se postavlja Bernulijeva jednačina za preseke 2 i 3 iz koje se izračunava dubina u propustu: E 2 = E 3 + E izg2-3 hc +
vc2 = hn + 2g
vn2 2g
+
( vc - vn )2 2g
Do nepoznate dubine u cevi hc se dolazi iterativnim postupkom. Nadalje se postavlja Bernulijeva jedanačina za presek 1 i 2: E 1 = E 2 + E izg1-2 vu2 vc2 vc2 = hc + + ξ s hu + 2g 2g 2g Do koeficijenta gubitka na suženju ( ξ S) dolazi se na osnovu odnosa suženja ispred i iza, a za
proračun se može usvojiti da je on 0.5. Kao što se vidi u proračunu je zanemaren linijski gubitak na trenje zbog kratkog objekta. Kao i u prethodnom slučaju do uzvod ne dubine hu se dolazi iterativnim postupkom. Kod kružnih cevastih propusta osnovni elementi se mogu izračunati pomoću sledećih izraza: o D 2 π α 8 180
o D π α − sin α ; O = A = 2 180 sin α o D R= 1 − ; B = 2 h ( D − h) 2 π α o 180 o
α
h
D
Kod propusta kod kojih je tečenje pod pritiskom postupak za proračun je sličan kao kod propusta kod kojih je tečenje sa slobodnom površinom, s tim da se Bernulijeva jednačina postavlja samo izmedju preseka 1 i 3.
Skica za proračun uspora pr opusta pod pritiskom 116
Kod propusta kod kojih je tečenje pod pritiskom postupak za proračun je sličan kao kod propusta kod kojih je tečenje sa slobodnom površinom, s tim da se Bernulijeva jednačina postavlja samo izmedju preseka 1 i 3 jer nema dubine u cevi. Svi gubici, linijski i lokalni se računaju sa brzinom u cevi (v c) 2 L vc ∆E = ξi + ξu + λ = ξ + λ 2g 2g 4R 2g D 2g suma
v 2c
v c2
2 L vc
4.2. Kaskade Kaskade su objekti kojima se na kanalskoj mreži savladjuje neka denivelacija u tečenju. Kao što se ranije već napominjalo u kanalima za odvodnju se skoro isključivo javlja mirno tečenje (F r< 1.0), pa se u tom slučaju hidraulički proračun sprovodi prema donjoj skici.
Skica za proračun elemenata kaskade Kao što se sa date skice vidi granični profil je na prelivu gde se ostvaruje kritiča dubina, uzvodno od tog preseka tečenje je mirno sa depresionom krivom. Neposredno iza preliva prelazi se u burno tečenje, koje opet zbog nizvodnih uslova u kanalu prelazi u mirno. Prelazak iz burnog u mirno tečenje ostvaruje se preko hidrauličkog skoka. U zavisnosti od proticaja, koji kod odvodnih sistema varira, mesto hidrauličkog skoka će se premeštati nizvodno od kaskade. Da bi se ovo izbeglo, jer se na mestu skoka javljaju intenzivna vrtloženja i erozija, neposredno iza kaskade projektuje se slapište. Pravilno odabrani elementi slapišta, dužina i visina praga, obezbedjuju umirenje skoka pre nego što voda predje u neobloženu deonicu nizvodno od kaskade.
1- uzvodni deo kanala 2- obloga ispred, 3- krilni zid, 4- drenski otvori, 5- slapište, 117
67-
obloga iza slap., kameni nabačaj.
Elementi tipske kaskade
Podužni i poprečni presek tipske kaskade za savladavanje manjih denivelacija 4.3. Sifoni (inverzni) Sif oni su objekti koji najčešće služe za ukrštanje dva kanala kad se njihove vode ne smeju mešati, ili kod ukrštanja kanala i putne mreže ukoliko bi gradnja propusta bila neraconalna. Prečnik sifona se usvaja iz uslova da ovakav objekat ne uzrokuje veliki us por uzvodno od njega, u kanalu je tečenje mirno. Kontrolni presek je nizvodni sa dubinom h n koja bi se ostvarila u kanalu da nema objekta, uzvodna dubina h u dobija se postavljanjem Bernulijeve jednačine ispred i iza sifona uz obračun svih energetskih gubitaka na tečenju izmedju ta dva profila (tečenje pod pritiskom). Razlika izmedju hu - hn = ∆h, nastala usled izgradnje sifona ne bi smela biti veća od projektom zahtevane, a proizašle iz analize tečenja uzvodno od sifona. Kod konstrukcije sifona posebnu paž nju treba obratiti na uzvodnu i nizvodnu glavu da bi se sprečilo unošenje nanosa i ostalih nečistoća koje mogu da začepe sifon. Iz tih razloga se vrlo često u praksi grade dve cevi jedna pored druge, jer dok se čisti jedna druga može da funkcioniše.
118
Ukrštanje dva kanala uz pomoć sifona
4.4. Ustave Ustave su objekti koji imaju funkciju da regulišu nivoe i proticaje unutar odvodnog (ili zalivnog) sistema, takodje mogu da budu i evakuacioni organi za gravitaciono ispuštanje viškova vode u neki recipijent. Rešenje ustave koja služi kao evakuacioni organ mora da prati 119
detaljna hidrološka analiza krivih trajanja vodostaja (godišnje, sezonske, mesečne) u recipijentu kao i vremena nailaska viškova vode za odvodnju. Na osnovu ovih podataka može se sprovesti analiza mogućeg trajanja gravitacionog ispuštanja viškova vode. Ekonomskom analizom ušteda energije kad pumpna stanica ne pumpa vodu, u odnosu na cenu izrade ustave, donosi se odluka da li graditi pumpnu stanicu i ustavu. U zavisnosti od namene ustave, veličine denivelacije, proticaja, veličine kanala, zavise i konstruktivna rešenja. U narednom delu prikazaće se konstruktivna rešenja pojedinih tipova koja imaju najčešću primenu u praksi. Kod manjih kanala, kad ustava s luži za manje denivelacije i regulacije proticaja, vrlo često se koriste tablaste ustave sa ručnim mehanizmom za podizanje.
Tipska tablasta ustava
Na sledećoj slici prikazano je rešenje tablaste ustave sa dvodelnim tablastim zatvaračem radi uštede u visini konstrukcije ustave, kod većih denivelacija, a zbog mogućnosti potpunog podizanja zatvarača. Osim toga nekad se javlja potreba da se gornji deo ustave zatvori AB dijafragmom, opet radi smanjenja visine zatvarača. Ovo se rešenje koristi kod manjih prirodnih vodotokova.
120
put utori za sigurno
betonsk a tablasti zatvara
protivfiltracio na zavesa
Ustava Despotovo na kanalu Jegrička Na većim prirodnim vodotocima konstruišu se ustave sa segmentnim zatvaračima. Ovi zatvarači omogućavaju i isticanje i prelivanje, a na gornju ivicu se postavlja i obarajuća klapna. Njena uloga je da pri nailasku ledenih santi, spuštanjem, spreči direktan udar i oštećenja segmenta.
121
Segmentna ustava sa klapnom
4.4. PUMPNE STANICE U odvodnjavanju se pumne stanice koriste za evakuaciju viškova vode iz sistema u recipijent kad ne postoji mogućnost gravitacione evakuacije (ustave ili sifoni). Površine koje se na ovakav način odvodnjavaju nazivaju se polderi, tj., sa jedne strane ov e površine su omedjene visokim terenom a sa druge nasipima koji ih štite od velikih voda recipijenta. Ove površine su pre izgradnje nasipa najčešće bile inundacioni prostor reke. Crpne stanice su jedan od najsloženijih objekta na melioracionom sistemu i v rlo često se projektuju u kombinaciji sa gravitacionim ispustom (ustava ili sifon). Prethodno se kod dela koji je obradjivao ustave napomenulo da se ovo pitanje razrešava analizom hidroloških uslova recipijenta i ekonomskom analizom ušteda na potrošnji energije za pumpanje. Samim tim, što je pumpna stanica značajan hidrotehnički objekat ona sa svojom cenom može znatno da utiče na ekonomičnost rešenja odvodnje, i sa strane investicije a i eksplatacionih troškova. Iz tog razloga potrebno je za nju izraditi d etaljnu projektno tehničku dokumentaciju Na izradi ove dokumentacije treba da učestvuju stručnjaci gradjevinske, mašinske i elektro struke. Gradjevinski stručnjaci (hidrotehničari, konstruktivci, geomehaničari i geodete) osim hidrološko- hidrauličkih i statičkih proračuna moraju kod ovakvih objekata posebnu pažnju da obrate na geomehaničke aspekte. Naime, praksa je ukazala da je opšta stabilnost i funkcionalnost objekta najčešće bila narušena zbog zanemarenja činjenice da se pumpne stanice najčešće grade na aluvijalnim zemljištima nastalim taloženjem sastojaka loših geomehaničkih karakteristika (muljevita tla). Iz prethodno iznetih činjenica pri projektovanju pumpne stanice (P.S.) rade se sledeće analize: - za lokaciju P.S. potrebno je uraditi minimum 3-5 ge omehaničkih bušotina dubine 10 15 m ispod kote fundiranja sa uzimanjem uzoraka i njihovom obradom, - proračun klizanja kako kosina kanala u neposrednoj blizini objekta tako i samog objekta P.S. - proračun stabilnosti na prevrtanje, na objekat obično nale že nasip, - proračun dozvoljenih i stvarnih napona u tlu na kontaktu temeljne ploče gde se iz razloga ekcentričnog opterećenja javljaju često i negativni naponi u tlu, osim toga vrlo često se kod ovih analiza zanemaruje težina i vibracije pumpi što može d a kompromituje proračune, - kod proračuna sleganja objekta obratiti pažnju na različite težine ulivne gradjevine i mašinske zgrade, tako da se preporučuje njihovo razdvajanje delatacionom spojnicom, 122
- potrebno je uraditi i analizu filtracione stabilnosti kosina i dna kanala neposredno ispred ulivne gradjevine zbog razlike potencijala vode u recipijentu i dovodnom kanalu, - način temeljenja objekta C.S., može biti temeljna ploča izlivena na licu mesta ili bunarsko spuštanje (zavisi od geomehaničkih karakt eristika zemljišta na koti fundiranja). 1 - dovodni kanal 2 - ulivna gra|evina 3 - mašinska zgrada 4 - potisni cevovod 5 - izlivna gradjevina 6 - spoj sa minor koritom 7 - odbrambeni nasip 8- trafo stanica 9 - čuvarnica 10 - pomoćni objekti 11 - inundacioni rostor
Situacija razmeštaja sastavnih delova P.S
123
Podužni presek aksijalne (propelerne) P.S. Elementi pumpne stanice Na predhodnim slikama date su situacija i podužni presek P.S. koja se često koristi u odvodnjavanju. Osnovni elementi su: 1. Dovodni kanal, 124
2. Ulivna gradjevina, koja vrši spoj izmedju dovodnog kanala i crpnog bazena. Počevši od ulaza vode ulivna gradjevina sadrži utore za ′′ šandor grede′′ čija je uloga da spreče dotok u crpni bazen ukoliko je potrebno intervenisati u bazenu ili na usisu pumpi. Ove grede se spuštaju kroz dva reda utora, na jednoj i drugoj strani razdelnih zidova, a mogu da budu drvene ili betonske. Izmedju dva reda postavljenih greda se sa unutrašnje strane postavnja plastična folija i nabija masna glina. Posle zatvaranja, manjim pokretnim dizel agregatom, ispumpa se voda iz crpnog bazena i izvrši intervencija. Iza ovih utora postavnjena je rešetka za grubo odstranjivanje nečistoća u vodi (drezga, granje, kukuruzovina, itd.,). Rešetka se najčešće izradjuje od pljosnatih profila postavnjenih upravno na tok i na odredjenom razmaku, kroz ove profile se provuku kružni nosači na odredjenom razmaku. Kod većine P.S. čišćenje rešetke je predvidjeno grabuljama na elektro pogon, naročito ako je predvidjeno daljinsko upravljanje P.S. U praksi se vrlo često ovi uredjji zaglavljuju pa se onda čišćenje najčešće vrši ručnim grabuljama. Kod grabulja na elektro pogon one s e automatski pokreću kad je nakupljena nečistoća bitno smanjila proticajni profil, tj., kada denivelacija ispred i iza rešetke usled hidrauličkih gubitaka predje dozvoljenu veličinu. Kod oblikovanja ulivne gradjevine treba voditi računa da raspored brzina pri nailasku vode u crpni bazen i usis pumpi bude što ravnomerniji, tj., ne smeju se dozvoliti nikakva lokalna vrtloženja koja mogu izazvati smetnje u hidrauličkom i mehaničkom radu pumpe. U koliko to nije ispunjeno javlja se smanjenje kapaciteta pumpe i o štećenje usled vibracije i kavitacije na lopaticama. Prema tome, preporučuje se pravolinijski dotok vode do usisa pumpi. Svaka krivina ili prelom mogu uzrokovati vrtloge u struji i stvaranje vrtložnog levka. Ustaljeno je mišljenje da mala brzina u ulivnoj gradjevini (0.3 m/s), bez obzira na njen oblik, garantuje dobre prilazne uslove. Medjuti, vrlo često se loš raspored brzina redje javlja pri većim brzinama jer manji vrtlozi onemogućavaju formiranje većih. Kod većeg broja pumpnih agregata koji se postavljaju upravno na tok, jer njihov položaj paralelan sa tokom (jedna iza druge) nije povoljan zbog uticaja prethodne pumpe, crpni bazen je širi od dolaznog kanala. U tom slučaju ulivna graćevina treba postepeno da se širi sa uglom ne većim od 20% (preporučljivo 10%). Takodje u slučajevima kad je dno crpnog bazena niže od dna kanala, zbog potrebe uronjenosti pumpi pri minimalnom radnom nivou, ulivna gradjevina ima i podužni nagib sa istim preporučljivim uglom. 3. Crpni bazen, u kome su smešteni usisi (zvona) p umpi, njegova veličina zavisi od broja i potrebne uronjenosti pumpi. Vrlo često se prilikom projektovanja postavlja dilema da li predvideti pregradne zidove i odvojiti svaku pumpu posebno. Preporuke iz prakse i literature ukazuju da u koliko će vrlo retko raditi sve pumpe istovremeno ne treba postavljati pregradne zidove. Medjutim, u koliko je predvidjen rad svih pumpi istovremeno poželjno je postaviti ove zidove sa zahtevanim razmakom i oblikovanjem glave. Takodje, nije preporučljivo ni stavljanje usisa pumpi u sredinu crpnog bazena, jer se ostavlja veliki prostor iza pumpi što pospešuje formiranje velikih vrtloga. Na slici VII-30. su prikazane mogućnosti ugradnje dodatnih elemenata koji sprečavaju formiranje vrtloga. Osim dispozicije razmeštaja pumpi važan element kod crpnog bazena je i minimalan nivo pri kome ne dolazi do uvlačenja vazduha u zvono. Prilikom projektovanja u svakom slučaju ovu dubinu treba proveriti kod proizvodjača pumpi. 3. Mašinska zgrada, u njoj se osim kućišta elektromotora nalaze i ostali prateći elementi; upravljački sto, prostorija za rezervne delove, kancelarije, sanitarni čvor, itd. Osim toga, ukoliko krovna konstrukcija nije demontažna, projektuje se kranska staza sa kranom. Ona služi da bi se u slučaju havarije pumpe mogle izvući i transportovati do vrata mašinske zgrade. Kran se dimenzioniše na najteži element crpke na koji se ona može rastaviti. 5. Propelerna pumpa sa vertikalnom osovinom, ovaj tip pumpi se najčešće koristi kod odvodnih pumpi jer postižu dobre efekte kod velikih količina vode i malih denivelacija između gornje i donje vode. 6. Potisni cevovod, postoji mogućnost da se on vodi preko nasipa ili kroz nasip. Kod već izgradjenih nasipa praktikuje se vodjenje preko nasipa. Prosecanje već konsolidovanog nasipa nije preporučljivo pošto to mesto kasnije predstavlja potencijalno žarište procurivanja i rušenja nasipa. Ovo procurivanje se najčešće dešava oko same cevi gde se nije moglo izvršiti potrebno nabijanje (naročito sa donje strane), u svakom slučaju se oko cev i postavljaju manžetne na 125
odredjenom razmaku da bi se produžio filtracioni put. Prema tome, rešenje sa cevovodom u telu nasipa, iako je sa hidrauličke strane bolje za pumpe, praktikuje se samo kod manjih nasipa ili pre njegove izgradnje. Treba napomenuti d a je za već izgradjene nasipe uz Dunav, Tisu i Savu vrlo teško dobiti vodoprivrednu saglasnost za njihovo prosecanje, a o čemu se mora voditi računa prilikom projektovanja. Na donjoj slici je prikazan primer procurivanja duž cevovoda tokom poplave u aprilumaju 2006. na Tisi. Intenzitet procurivanja i sufozija materijala je pokušana da se spreči postavljanjem protivfiltracione zavese od čeličnih talpi kao i izdizanjem nivoa u prilaznom kanalu.
Za jedan dan došlo je do sleganja usled sufozije za više od 0,5 m.
126
Prikaz postavljanja čeličnih talpi kao mere za sprečavanje sufozije usled filtracije vode oko cevovoda pumpne stanice u telu nasipa . 7. Šaht sa ovazdušenjem i usisnim ventilom, vakuum uredjaj je neophodan kod rešenja kad potisna cev ide preko nasipa i nalazi se na najvišoj tački cevovoda. NJegova uloga je dvojaka; vazdušni ventil služi da ispusti vazdušni čep formiran usled mogućeg ulaska vazduha u cevovod, usisni ventil se postavlja u slučajevima kad je najviša tačka cevovoda iznad merodavnog nivoa u recipijentu. U tom slučaju ili će se geodetska visina dizanja usvojiti na najvišu kotu cevovoda ili će se usisnim ventilom pre puštanja u rad pumpi stvoriti podpritisak i ostvariti veza izm edju donje i gornje vode. Medjutim, mnogo češće se usisni ventil (vakum uredjaj) postavlja kod rešenja kad potisni cevovod služi i kao natega za slučajeve kad je nivo u recipijentu niži od nivoa u dovodnom kanalu (sifoniranje). 8. Izlivna gradjevina, ima funkciju da umiri vodu na izlasku iz cevovoda. Tako umirena voda preko kanala, iskopanog u inundaciji, odvodi vodu do minor korita (u zavisnosti od nivoa vode u recipijentu). Da bi se smanjila inercijalna sila na izlasku iz cevovoda postavlja se difuzor, koji smanjuje izlaznu brzinu. Žablji poklopac ima ulogu da spreči ulazak raznih nečistoća i životinja u cev kad nema pumpanja, a s druge strane sprečava i prodor velikih voda recipijenta u crpni bazen. Pošto se često zaglavljuje, obezbedjenje prodora vode se postiže i sa dva zatvarača iza samih pumpi. Jedan je povratni, čija je uloga i da zaštiti lopatice crpki od povratnog hidrauličkog udara, dok je drugi klasičan zatvarač koji služi prilikom demontaže pumpi.
127
5. NAVODNJAVANJE Navodnjavanje se može definisati kao dopuna prirodnih padavina u svrhu optimalnog sadržaja vode u tlu tokom vegetacionog perioda. Količine potrebne vode za intenzivnu poljoprivrednu proizvodnju tokom vegetacionog perioda se određuju shodno klimatskim uslovima i planiranoj poljoprivrednoj proizvodnji (plodored) na zalivnoj površini. Ekonomičnost rešenja navodnjavanja zavisi od usvojenog povratnog perioda suše (najčešće 10 godišnji), planirane setvene strukture, metode natapanja, tehničkog rešenja, topografskih uslova, vrste i stepena automatizacije opreme za navodnjavanje i radnog vremena na sistemu. Potreba za navodnjavanjem proističe iz činjenice da će u narednih svakih 15 godina broj stanovništva na zemlji porasti za po jednu milijardu. Sa druge strane za poslednjih stotinak godina poljoprivredna obradiva površina je duplo manja po stanovniku u Srbiji. Kad se pogleda karta prosečnih godišnjih padavina na zemljinoj kugle uviđa se da oko 25% površine zemlje dobija manje od 250 mm godišnje, oko 30% ima godišnje padavine između 200 - 500 mm. Poljoprivredni stručnjaci ističu da se bez minimum 500 mm godišnjih padavina ne može planirati biljna proizvodnja. Međutim situacija je još nepovoljnija zbog lošeg godišnjeg rasporeda padavina, odnosno tokom vanvegetacionog perioda ih ima više nego što je evapotranspiracija (potrebno odvodnjavanje) a tokom vegetacionog ih ima manje (potrebno navodnjavanje). Osim osnovnog zadatka navodnjavanje se koristi i u svrhu fertirigacije (đubrenje tečnim đubrivima), ispiranja zasoljenih zemljišta, o lakšavanje obrade (nemože se orati suvo zemljište), omogućavanja pravovremene setve i nicanja, kao i zaštite bilja od bolesti.
Prikaz širenja navodnjavanih površina u svetu i potrošnja vode na navodnjavanje 5.1. SITUACIJA ZALIVNOG SISTEMA Osnovni elementi jednog zalivnog istema su vodozahvat, razvodna mreža i uređaji za navodnjavanje. Vodozahvat može da bude gravitacioni (ustava) ili pumpna stanica sa veštačkim izdizanjem vode. Razvodna mreža mogu da budu kanali za veće količine vode (najčešće iznad 1,5 m3) ili cevovodi ako je topografija terena nemirana ili se radi o peskovitom zemljištu (zbog gubitaka na infiltraciju iz kanal).
128
Samo nanošenje vode na navodnjavanu površinu zavisi od odabrane tehnike navodnjavanja. Odabrana tehnika navodnjavanja zavisi i od kultura ali i od topografije terena, nagiba terena, moći upijanja, .... Svi elementi sistema se dimenzionišu na hidromodul navodnjavanja proizašao iz bilansa voda u vegetacionom periodu (padavine i evapotranspiracija), za naše klimatske uslove od se kreće q≈0,6 l/s ha.
• • • •
Uobičajena podela tehnika navodnjavanja je sledeća: površinsko navodnjavanje, navodnjavnje veštačkom kišom, lokalizovano navodnjvanje kap po kap i navodnjavanje subirigacijom.
Površinsko navodnjavanje se javilo pre više hi lada godina i faktički je bilo isključivo zastupljeno sve do pojave parne mašine (pumpi) kad počinje da preovađuje navodnjavanje veštačkom kišom. Danas se još od površinskih navodnjavanja u manjem obimu koristi navodnjavanje brazdama koje je dobro za povrtarske biljke koje ne trpe kvašenje lista (paprika, paradajz, ...). Međutim i kod njega je došlo do modifikacije u smislu da se voda do brazda dovodi sa cevovodima koji imaju otvore na sebi na razmaku brazda. Razmak brzda se određuje na osnovu geomehaničkih karakteristika zemljišta i jačine kapilarnih sila pod čijim uticajem se voda kreće u zemljištu u svim pravcima. Tako da je kod peskovitih zemljišta potreban manji razmak brazde u odnosu na glinovita. Naime, glinovita imaju f iniju strukturu (čestice) pa je i kapilarna sila veća.
129
Slika pokazuje punjenje brazdi vodom iz razvodnog kanala preko natega (cevčice od plastike)
Punjenje brazdi sa vodom iz cevovoda sa otvorima
Navodnjavanje veštačkom kišom je najpribližniji način navodnjavanja prirodnom načinu. Prednost ovog načina je i u tome da nije potrebno ravnati zemlkište, odnosno može se navodnjavati i zemljište "nemirnije" topografije. U zavisnosti od odabira opreme sam postupak navodnjavanja može da bude visoko automatizovan i sa malim brojem radne snage. Osnovno kod ovog načina je da se voda pod pritiskom upušta u cevovode na kojima su na određenom razmaku prskači sa diznama. Što je otvor dizne manji a pritisak vode u cevima veći to je finoća kiše veća. Ovoje bitno sa aspekta erozije zemljišta i oštećenja kultura u početnoj fazi nicanja, odnosno kišna kap ne bi trebala biti veća od 1 mm. Prednost ove tehnike navodnjavanja je i u tome što kišne kapi prolaskom kroz vazduh primaju kiseonik i azot, takođe se povećava vlažnost vazduha na sistemu a što sve povoljno utiče na razvoj biljaka.
Tipski prskači sa jednom ili dve dizne Na osnovu tehničkih karakteristika uređaja razlikujemo nekoliko sistema za navodnjavanje veštačkom kišom.
130
Prvo su se pojavila kišna krila kojima je osnovna mana što traže ručno premeštanje a i mogu navodnjavati "niske" kulture do visine od 0,7 m. Distribucija vode u kipšna krila se vrši iz hidranata na cevovodima ukupanim u zemlju.
Za manje površine od par hektara pa do 20 ha dobro su se pokazali dalekometni topovi (tifoni) koji se sastoje iz velikog točka (kalema) na koje je namotano gumeno crevo i kolica sa dalekometnim topom. Prvo se razmota crevo sa kolicima na kraj parcele i kad se pusti voda u uređaj počinje namotavanje kalema i samim tim i unazad creva. Tako se polako vlaži određena površina sa kulturo. Problem je što dalekometni top ima jak razoran mlaz sa velikim kapima pa može doći do oštećenja biljaka i erozije zemljiš ta.
Za velike komlekse koji se zalivaju koriste se savremeni portalni uređaji koji se mogu kretatu u krog oko centralne piramide do koje se dovodi voda sa cevovodom pod zemljom (centar pivot). Dužina ovakvog krila se kreće od 400 - 600 m.
131
Druga je mogućnost da se uređaj snabdeva iz kanala koji je postavljen duž ivice parcele preko pumpe i usisne rešetke (na plovcima). Ovu uređaji (uobičajen naziv je Rendžeri) imaju dužine krila i do 1000 m a pokrivaju površine i od 200 ha. Na klicima pored kanala se nalazi i pumpa i dizel agregat koji snadeva ceo uređaj sa strujom.
132
Treća tehnika koja se koristi za navodnjavanje rednih kultura, voćnjaka, povrtnjaka, palstenika, ... je sistem kap po kap. Sam naziv ukazuje da se voda dozira u kapima preko finih dizni. Dizne se nalaze na lateralima, cevima postavljenim iznad ili po zemlji. Razmak dizni je 0,5 - 1,0 m. Osnovna prednost ovih sistema je automatizovanost i ušteda u vodi kao i mogućnost branja i obrade zemljišta i pri navodnjavanju. Međutim ovaj sist em traži izuzetno mehanički i hemijski čistu vodu da nebi došlo do začepljenja dizni.
133
Konačno subirigacija je tehnika navodnjavanja kod koje se perforirane cevi nalaze u zemlji na dubini gde ne smetaju obradi i razmaku od nekoliko metara. Voda se upušta u cevi kroz pereforacije vlaži zemljište. Zbog svoje cene i mogućnosti začepljenja ovakav način navodnjavanja se skoro isključivo koristi kod sporstkih terena
134
O s n ovu z a o d ređ iv a n je p o t r re b ne k ol ič i n ne vv o d e č i n ne b r o j ii vv r s t a a p o t r r o š ač a ii vv re d n o s t n ji h h ove s pe ci f f ič ne p o t r r o š n je .
( 1 / s / d a n ) i ss pe S pe peci f f ič na po pot oš n ja ja vvod e uu zi zima sse po po sst anovnik u q s ( peci f f ič nost je je ssvak e sr ed ine. U sk lad u ssa llok alnim uuslovl j jenost ima ii oogr anič en jima uu pogled u pr oi z zvod n je vvod e k olič ine vvod e m mer od avne d ugor oč nim pl d ok ument ima sse ood r plansk im d re đ u ju ss peci f f ič ne k za pr o jek t to van je ssist ema. U nar ed no j t d at i zb j t abeli je je d zbor k ar ak t te r ist ič nih nnor mat iva po pot r ro š n je je vvod e
N o r m a tivi s pe ci f f ič ne p o t r r o š n je vv o d e
U z mest a vvr ed nost i nnor mat iva ss peci f zavisnost i ood velič ine ood nasel j jenog m f ič ne pot r ro š n je vvod e se m men ja ju š š t to je iilust r t abelom ro vano ssled ećom t
136
O p š ti si s s te m k a n al i z z a ci j je
K ar ak t te r ist ik a oo pš d a sse ssve vvr st e oot pa k o je pš t te g ssist ema je je d pad nih vvod a k je sse f or mir a ju ju nna pod r k analisanog ssliva ood vod e iist im k k analima ii k k olek t to r ima pr ema uur eđ a ju za ru č ju k pr eč iš ćavan je , ggd e sse za jed nič k ki pr eč ist e ii iis pust e uu ood govar a jući vvod ot ok . t ak o post avl j jeni d d a K anali ii k k olek t to r i k k o ji k anali za mr e ž u m mor a ju ji f or mir a ju ju k zacionu m ju bbit i t se oomogući ggr avit aciono ood vođ en je ssvih oot pad nih vvod a , uuva ž ava jući pr i t t om t o po pogr a f sk e uuslove ii oogr anič en ja ja. O pš t ti ssist em je uu poč et k k a pacit et ur eđ a ja za pr eč iš ćavan je ku je f t ti ni j ji uu ii z zgr ad n ji , , aali je k ot pad nih vvod a ((U POV ) znat no vveći nnego k k od se par at nog ssist ema Gled a ju k od d imen zi jući ood nos uu po pot r re bl je jenih ii aat mos f er sk ih vvod a k zionisan ja ja je jed nog sist ema uu š š picevima k k ad a je pala k k iš a ssvega ssu 11-3% uu pot r re bl j jene vvod e.
O p š ti k a n al i z z a ci o o ni ssi s s te m
U v a ž av a juć i f a k t o o r ee k o n o mič n o s ti ii č i n n je ni c ce d a je ki š š n a vv o d a ii p p a k z n a t n n o m a n je z a g a ađ e n a o d d ku t p n a a o o p p š š te u ju z a g n a o kuć ni ni h o h o t p a d a d ni ni h v h v o d o d a , a , n te m s m sii s t s tee mu mu p ri ri me me n j n ju ju se se ki ki š š n a n a r a s te reć e n j a a Sv r h a ki š u vv re me ii n š n o g r a s te reć e n j a a je d a se u n te n ziv ni h h ki š š a o b avl j a a r a s te reć iv a n je k a n a al l s k o g g s sii s t t a k o d d a s z r reeđ e ne u š t a j u u u k a n s k o s tee m a m a t a k o a see r a r a z ne me me š ov ovi te te vv o d o d e d i re re k t k t n o n o ii s p s pu a ju re ci p pi j je n t , , ti m me se s m a n ju ju p o t r re b ne d i m me n zi j je gl av n o g o d v o d n o g k ol e k t o o r a .
P re se k u ul i c ce s a o p š t o o m k a n al i z z a ci j o j o m
145
Se p a r a ci o o ni si s s te m k a n al i z z a ci j je
K od ovog ssist ema nna jč eš će sse ii z d ve m mr e ž e jed na za ood vođ en je aat mos f er sk ih zr ađ u ju d vod a ii d d r k ućnih ii iind ust r ru ga za za ood vođ en je je k ri js jsk ih oot pa pad nih vvod a. K od se par acionog ssist ema k k anali z k iš ne vvod e sse iis puš t ta ju d d ir ek t tn o uu r r eci p zaci j je k pi j jent . Danas pr eovlad ava m miš l j jen je d d a sse ii k k iš ne vvod e m mor a ju por eč iš ćavat i zbog r r a zlič it ih f i zi t ok sič k mat er i ja zič k ki h ii t ki h m ja
Se p a r a ci o o ni k a n al i z z a ci o o ni si s s te m
P re se k u ul i c ce s a se p a r a ci o o n o m k a n al i z z a ci j o j o m
M e r o d av ne k ol ič i n ne o t p p a d ni h h vv o d a Z a d d imen zionisan je k k anali z mak simalne vvr š zacionog ssist ema vva ž no je po znavan je m šn e po k o ja pot r ro š n je je k ja sse nna po pod r ru č ju ju nnasel ja ja oost var u je je uu ook vir u vvr emensk og pe per iod a ood 24 č asa. d imen zi M ak simalna č asovna po pot r ro š n ja ja je je po pod at ak k o ji ji sslu ž i za za d zionisan je je k anali z zacionih oob jek at a ii ood r re đ u je sse ssled ećim ii z zr a zom: q m= m=q s r s r** k h q m- p o t r u č a su m a k si m ( l / r o š n j a a u m al ne p o t r r o š n je ( l s t ) )
M er od avna k k olič ina aat mos f er sk ih vvod a k k o ja ja sse f or mir a nna sslivnom po pod r ru č ju ju ood r re đ u je je se ssled ećim ii z zr a zom: Q=i* F* F*ψ *φ*η Q- pr pr ot ok i-int en zit et p pad avina F- po povr š ši na ssliva ψ -k oe f ici j jent ot ican ja
146
φ-k oe f ici je jent za zak aš n je jen ja ja η-k oe f ici j jent ner avnomer nost i pad avina O b je k ti n a k a n al i z z a ci o o n o j m re ž i Ob jek t ti k k o ji sse ggr ad e nna k k anali z mr e ž i ssu: zaciono j m r evi zi k anali za r elivne ggr ađ evine , r ziona ook na , k , k ask ad e , o , ok na za za iis pi pir an je je k zaci je je , p , pr , r ast er et ne gr ađ evine , ssi f f oni , , ccr pne sst anice , aak vad uk t ti ... k anali za k o ji Re Revi zi ziona ook na ssu oob je jek t ti nna k zaciono j m j mr e ž i k ji sslu ž e za za pr pr egled , č iš ćen je je ii po pr avk e k k anala. r evi z K onst r ru k ci j ja r zionog ook na ssast o ji sse ood : d na ((1) , r k omor e ((2) , s , r ad ne k , sila zn znog pr pr ost or a ((3) , i , i uula zn znog oot vor a ssa po pok lo pc pcem ((4) pr ik a zano nna ssled ećem ssla jd u.
Re o o o k k n n o o Revi zi zi o n o n o
K ask ad e iima ju zad at ak d a oogr anič e bbr zinu sst r k analima ru jan ja uu k
C r k anali z k o ji sse ssast o je ood r p ne sst anice ssu pogonsk i oob jek t ti nna k zacionom ssist emu k gr ađ evinsk og oob je maš insk e oo pr jek t ta ii m pr eme.
147
