Υδραυλική των ανοικτών Αγωγών /A. Osman Akan

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Βασικά στοιχεία ροής με ελεύθερη επιφάνεια

1.1 Γεωμετρικά στοιχεία ανοικτών αγωγών. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 1.2 Ταχύτητα και παροχή. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 1.3 Υδροστατική πίεση. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 1.4 Μεταφορά μάζας, ορμής και ενέργειας σε ροή ανοικτού αγωγού. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

1.4.1 Μεταφορά μάζας. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.4.2 Μεταφορά ορμής (ποσότητας κίνησης). . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.4.3 Μεταφορά ενέργειας. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.5 Κατηγορίες ροών ανοικτών αγωγών. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.6 Νόμοι διατήρησης. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.6.1 Διατήρηση μάζας. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.6.2 Διατήρηση ορμής (ποσότητας κίνησης). . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.6.3 Διατήρηση ενέργειας. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.6.4 Εξισώσεις μόνιμης ροής. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.6.5 Εξισώσεις μόνιμης χωρικά μεταβαλλόμενης ροής. . . . . . . 25

1.6.6 Σύγκριση και εφαρμογή των εξισώσεων ορμής και ενέργειας. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

Προβλήματα. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

Αναφορές. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Περιεχόμενα vi  • Περιεχόμενα

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Αρχές ενέργειας και ορμής

2.1 Κρίσιμη ροή. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.1.1 Αριθμός froude. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.1.2 Υπολογισμός του κρίσιμου βάθους. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.2 Εφαρμογές της αρχής ενέργειας για μόνιμη ροή. . . . . . . . . . . . . . 37

2.2.1 Εξίσωση ενέργειας. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.2.2 Διάγραμμα ειδικής ενέργειας για δεδομέη παροχή. . . . . . . 41

2.2.3 Διάγραμμα παροχης για σταθερή ειδική ενέργεια. . . . . . . . 52

2.2.4 Ειδική ενέργεια σε ορθογωνική διώρυγα. . . . . . . . . . . . . . . 54

2.2.5 Στραγγαλισμός της ροής. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

2.3 Εφαρμογές της εξίσωσης ορμής σε μόνιμη ροή. . . . . . . . . . . . . . . 62

2.3.1 Εξίσωση ορμής. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

2.3.2 Διάγραμμα ειδικής ορμής για δεδομένη παροχή. . . . . . . . . 64

2.3.3 Διάγραμμα παροχής για σταθερή ειδική ορμή. . . . . . . . . . . 69

2.3.4 Υδραυλικό άλμα. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

2.3.5 Ειδική δύναμη σε ορθογωνική διώρυγα. . . . . . . . . . . . . . . . 75

2.3.6 Υδραυλικό άλμα σε ορθογωνική διώρυγα. . . . . . . . . . . . . . . 79

2.3.7 Στραγγαλισμός της ροής και αρχή διατήρησης της ορμής. . 81

Προβλήματα. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

Βιβλιογραφικές αναφορές. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ομοιόμορφη ροή

3.1 Αντίσταση ροής. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

3.1.1 Οριακό στρώμα και αντίσταση ροής. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

3.1.2 Η εξίσωση darcy–weisbach. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

3.1.3 Η εξίσωση chezy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

3.1.4 Η εξίσωση manning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

3.2 Εξίσωση ομοιόμορφης ροής. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

3.3 Εκτίμηση ομοιόμορφου βάθους σε κανάλια. . . . . . . . . . . . . . . . 100

3.4 Υπολογισμός ομοιόμορφου βάθους σε κανάλια με φυτοκάλυψη. . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . . . . 104 3.5 Υπολογισμός ομοιόμορφου βάθους σε κανάλια με λιθορριπή (riprap channels). . . . . . . . . . . . . . . . . 108 3.6 Ομοιόμορφη ροή σε κανάλια με σύνθετη διατομή (composite channels). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111 3.7 Ομοιόμορφη ροή σε σύνθετα κανάλια. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

Προβλήματα. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

Αναφορές. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

Περιεχόμενα •  vii

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Βαθμιαία μεταβαλλόμενη ροή

4.1 Κατάταξη καναλιών για βαθμιαία μεταβαλλόμενη ροή. . . . . . . 129

4.2 Κατάταξη των κατατομών (profiles) της βαθμιαία μεταβαλλόμενης ροής . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4.3 Η σημασία του αριθμού froude στον υπολογισμότης  βαθμιαία μεταβαλλόμενης ροής . . . . . . . . . . . 134

 4.4 Ποιοτικός προσδιορισμός αναμενόμενων κατατομών της βαθμιαία μεταβαλλόμενης ροής. . . . . . . . . . 137 4.5 Υπολογισμός της βαθμιαία μεταβαλλόμενης ροής. . . . . . . . . . . 145

4.5.1 Μέθοδος άμεσου βήματος (direct step method). . . . . . . . 146

4.5.2 Τυπική μέθοδος βήμα προς βήμα ολοκλήρωσης. . . . . . . . 154

4.6 Εφαρμογές της βαθμιαία μεταβαλλόμενης ροής. . . . . . . . . . . . 158

4.6.1 Χωροθέτηση υδραυλικού άλματος. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

4.6.2 Προβλήματα με δεξαμένες και διώρυγες. . . . . . . . . . . . . . . 162

4.6.3 Προβλήματα δύο λιμνών που συνδέονται με διώρυγα. . . 170

4.6.4 Επίδραση του στραγγαλισμού στο προφίλ της ελεύθερης επιφάνειας. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

4.7 Βαθμίαια μεταβαλλόμενη ροή σε συστήματα διώρυγων. . . . . . 185

4.8 Βαθμίαια μεταβαλλόμενη ροή σε φυσικούς αγωγούς. . . . . . . . 190

Προβλήματα. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

Βιβλιογραφικές αναφορές. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Σχεδιασμός ανοικτών αγωγών

5.1 Γενικές αρχές σχεδιασμού. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

5.2 Σχεδιασμός ανεπένδυτων διώρυγων. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

5.2.1 Μέθοδος μέγιστης επιτρεπόμενης ταχύτητας. . . . . . . . . . 212

5.2.2 Μέθοδος συρτικής δύναμης. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

5.2.3 Καμπύλες σε ανοικτούς αγωγούς. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

5.3 Σχεδιασμός διώρυγων με εύκαμπτη επένδυση. . . . . . . . . . . . . . . 230

5.3.1 Σχεδιασμός διώρυγων με φυτική επένδυση. . . . . . . . . . . . 230

5.3.2 Σχεδιασμός καναλιών με λιθόρριπη (riprap). . . . . . . . . . . 236

5.3.3 Προσωρινές εύκαμπτες επενδύσεις. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

5.4 Σχεδιασμός διώρυγων με άκαμπτα όρια. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

5.4.1 Προσέγγιση των εμπειρικών καμπύλων. . . . . . . . . . . . . . . 250

5.4.2 Προσέγγιση της βέλτιστης υδραυλικής διατομής. . . . . . . 252

5.4.3 Προσέγγιση ελάχιστου κόστους επένδυσης. . . . . . . . . . . . 253

5.5 Σχεδιασμός διώρυγων σε ανομοιόμορφη ροή. . . . . . . . . . . . . . . . 256

Προβλήματα. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259

Βιβλιογραφικές αναφορές. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262

viii  • Περιεχόμενα

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Υδραυλικές σκευές

6.1 Κατασκευές μέτρησης της ροής. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265

6.1.1 Υπεχειλιστές λεπτής στέψης. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265

6.1.2 Υπεχειλιστές ευρείας στέψης. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274

6.1.3 Ειδικοί αγωγοί (flumes). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

6.2 Οχετοί. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280

6.2.1 Ελεγχόμενη εισροή. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282

6.2.2 Ελεγχόμενη εκροή. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289

6.2.3 Διαστασιολόγηση οχετών. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

6.3 Υπερχειλιστές φραγμάτων . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

6.3.1 Σχήμα για ogee με ελεύθερη στέψη. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298

6.3.2 Παροχή πάνω από μια μη ελεγχόμενη στέψη ogee. . . . . . 299

6.3.3 Παροχή πάνω από ελεγχόμενη στέψη ogee με θυροφραγματα.  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303

6.4 Λεκάνες ηρεμίας. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305

6.4.1 Θέση του υδραυλικού άλματος. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306

6.4.2 Χαρακτηριστικά του υδραυλικού άλματος. . . . . . . . . . . . 314

6.4.3 Τυποποιημένα σχέδια λεκάνων ηρεμίας. . . . . . . . . . . . . . 315

6.5 Συναρμογές σε διώρυγες. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321

6.5.1 Συναρμογές σε διώρυγες για υποκρίσιμη ροή. . . . . . . . . . 321

6.5.2 Συναρμογές καναλιών για υπερκρίσιμη ροή. . . . . . . . . . . 332

Προβλήματα. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344

Βιβλιογραφικές αναφορές. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Υδραυλικά γεφυρών

7.1 Μοντέλα διατομών γεφυρών. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352

7.1.1 Θέσεις διατομών. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352

7.1.2 Τύποι χαμηλής ροής στην περιοχή της γέφυρας. . . . . . . . 365

7.1.3 Υπολογισμοί για χαμηλή ροή στην περιοχή της γέφυρας. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365

7.1.4 Υπολογισμοί υψηλής ροής στην περιοχή της γέφυρας. . . 375

7.2 Αποτίμηση της διάβρωσης σε γέφυρες. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389

7.2.1 Διάβρωση λόγω στένωσης. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391

7.2.2 Τοπική διάβρωση σε βάθρο. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400

7.2.3 Τοπική διάβρωση σε ακραία βάθρα. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408

Προβλήματα. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412

Βιβλιογραφικές αναφορές. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 Εισαγωγή στη μη μόνιμη ροή με ελεύθερη επιφάνεια

8.1 Εξισώσεις μη μόνιμης ροής. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418

8.2 Αριθμητικές μέθοδοι επίλυσης. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421

8.2.1 Ρητά σχήματα πεπερασμένων διαφορών. . . . . . . . . . . . . . 424

8.2.2 Πεπλεγμένα σχήματα πεπερασμένων διαφορών. . . . . . . . 426

8.2.3 Ειδικές περιπτώσεις. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449

8.2.3 Συστήματα αγωγών. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452

8.3 Προσεγγιστικά μοντέλα μη μόνιμης ροής. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453

8.3.1 Μοντέλο κύματος διάχυσης στη μη μόνιμη ροή . . . . . . . 454

8.3.2 Εξισώσεις πεπερασμένων διαφορών. . . . . . . . . . . . . . . . . . 454

8.3.3 Επίλυση των εξισώσεων πεπερασμένων διαφορών. . . . . . 456

8.4 Απλές μέθοδοι διόδευσης πλημμύρας σε αγωγό. . . . . . . . . . . . 459

8.4.1 Η μέθοδος muskingum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460

8.4.2 Η μέθοδος muskingum-cunge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465

Προβλήματα. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473

Αναφορες. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475