The impact of energy dissipation devices on the size of local scour beds on the sluice gate model

• Autorzy: Urbański J. , Kiraga M. , Bajkowski S.

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2020.135234

Warianty tytułu

PL

Wpływ konstrukcji urządzeń do rozpraszania energii na rozmiary miejscowych rozmyć dna na modelu śluzy

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article presents the results of experimental research aimed at recognizing the impact of the design of energy dissipation devices on the formation of bed local scouring below the sluice gate. The experiments were carried out on a model of a sluice gate built in a rectangular flume with a width of 0.58 m, with the outflow of the stream from under the slider to a horizontal bed 0.80 m long. Behind the dam gate valve three different constructions of energy dissipation devices were used: flat, horizontal slab, slab equipped with baffle blocks arranged in two rows and rip-rap. The experiments assumed forming a scour hole in 480 minutes downstream the sluice, where the bed was filled with sorted sand. The depths of the scour were measured in the longitudinal profile after 30, 60, 90, 120, 180, 240, 300, 360, 420 and 480 minutes. The deepest scour holes of the bed, both in terms of depth and length, occurred on the structure model with energy dissipation devices made as a flat, horizontal plate. At the same time, in this case, the hole was developing the most rapidly, and its shape and size posed the greatest threat to the stability of the structure. The use of baffle blocks arranged in two rows or a rip-rap behind the structure slide noticeably reduced the size of the scour and delayed the erosion of the bottom in time, as compared to the course of this process on a model with a flat, horizontal slab.

PL

W artykule przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych, których celem było rozpoznanie wpływu konstrukcji urządzeń do rozpraszania energii na kształtowanie się miejscowych rozmyć dna poniżej śluzy. Doświadczenia przeprowadzono na modelu śluzy zbudowanym w korycie o przekroju prostokątnym i szerokości wynoszącej 0,58m, z wypływem strumienia spod zasuwy piętrzącej na poziome dno o długości 0,80m. Na dnie za zasuwą piętrzącą zastosowano trzy różne konstrukcje urządzeń do rozpraszania energii: płaską, poziomą płytę (W1), płytę z szykanami rozmieszczonymi w dwóch rzędach (W2) i narzut kamienny (W3) o chropowatości względnej w zakresie 0,061÷0,078. Doświadczenia polegały na formowaniu rozmycia w czasie 480 minut przez strumień w dolnym stanowisku na odcinku, gdzie dno koryta wypełnione było piaskiem sortowanym (d50=1,1mm, (d84/d16)0,5=1,77). Podczas doświadczeń mierzono głębokości rozmycia w profilu podłużnym, w osiowej płaszczyźnie koryta po upływie 30, 60, 90, 120, 180, 240, 300, 360, 420 i 480 minut. Analizowano wpływ konstrukcji urządzeń do rozpraszania energii na parametry charakteryzujące rozmycie pod względem bezpieczeństwa budowli, takie jak głębokość maksymalna rozmycia, odległość wystąpienia największego rozmycia od końca wypadu budowli, kształt wyboju. Są to parametry najczęściej uwzględniane w ocenie skuteczności działania urządzeń do rozpraszania energii w badaniach modelowych. Zastosowano także kryterium wykorzystywane do oceny bezpieczeństwa budowli wodnych, uwzględniające nachylenie prostej przechodzącej przez koniec wypadu i dół rozmycia w miejscu występowania jego maksymalnej głębokości. Obliczono wartości graniczne współczynników nachylenia tej prostej i na ich tle analizowano wartości tych samych współczynników uzyskane w oparciu o wyniki pomiarów na modelu o różnej konstrukcji urządzeń do rozpraszania energii.

Słowa kluczowe

EN

local scouring; hydraulic model study; energy dissipation device; design; sluice gate

PL

rozmycie lokalne; badanie modelowe; badanie hydrauliczne; urządzenie do rozpraszania energii; konstrukcja; śluza

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2020
• Tom: Vol. 66, nr 4
• Strony: 507--524
• Opis fizyczny: Bibliogr. 42 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Urbański J.

• Warsaw University of Life Sciences WULS-SGGW, Institute of Civil Engineering, Warsaw, Poland

autor

Kiraga M.

• Warsaw University of Life Sciences WULS-SGGW, Institute of Civil Engineering, Warsaw, Poland

autor

Bajkowski S.

• Warsaw University of Life Sciences WULS-SGGW, Institute of Civil Engineering, Warsaw, Poland

Bibliografia

• 1. S. Pisarczyk, „Fundamentowanie dla inżynierów budownictwa wodnego”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, pp.448, 2012.
• 2. S. Bajkowski 2007. „Proste kryteria oceny bezpieczeństwa jazów na rzekach nizinnych”, Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich, 4(2), PAN, Oddział w Krakowie, 7-14. 2007.
• 3. J. Urbański, L. Hejduk, „Analiza rozmiarów lokalnego rozmycia powstałego po wystąpieniu wezbrania”. Monografia KGW-PAN, z. XX, tom 1, 389-400, 2014.
• 4. K. I. Rossinskij, „Hydraulic of scouring pits” Chapter 2: “Problems of river runoff control”, Acad. Sci. USSR. Section for Scientific Study of Water Engineering Problems, 1961.
• 5. H. N. C. Breusers, „Time Scale of Two Dimensional Local Scour”, Proceedings of 12th Congress of IAHR, Fort Collins, USA, vol. 3: 275 - 282, 1967.
• 6. K. I. Rossinskij, I. A. Kuzmin, „Opyt projektirovanija miestnych razmyvov v niżnich bjefach gidrouzlov”, “Rabota niżnich biefov gidrotechničeskich soorużenij”, Kolos, Moskva. 96 - 107, 1969.
• 7. A. Żbikowski, „Badania laboratoryjne zależności głębokości rozmycia poniżej przelewu od długości umocnień i czasu trwania doświadczenia”, Maszynopis, Biblioteka Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1970.
• 8. K. S. Popova, „Raschet izmenenia glubiny mestnyh razmyvov za plotinami vo vremeni”, Izv. VNNIG 119: 66 - 73, 1985.
• 9. R. Błażejewski, „Prognozowanie rozmyć miejscowych gruntów niespoistych poniżej budowli upustowych”, Rocznik Akademii Rolniczej w Poznaniu, Rozprawy naukowe, Zeszyt 190, Wyd. AR w Poznaniu, 1989.
• 10. Sz. L. Dąbkowski, P. Siwicki, „Analiza głębokości rozmycia koryta na modelach jazu”, Scientific Review Engineering and Environmental Sciences, (19): 39 - 50, 2000.
• 11. S. Pagliara, S. M. Kurdistani, „Scour downstream of cross-vane structures”, J. of Hydro-Environment Res., 7(4), 236-242, 2013.
• 12. Sz. L. Dąbkowski, J. Skibiński, A. Żbikowski, „Hydrauliczne podstawy projektów wodnomelioracyjnych”, Państwowe Wydawnictwo Rolnicze i Leśne, Warszawa, 457 - 517, 1982.
• 13. G. J. C. M. Hoffmans, H. J. Verheij, „Scour Manual”, Balkema, Rotterdam, the Netherlands, pp. 193, 1997.
• 14. N. Rajaratnam, B. Berry, „Erosion by circular turbulent wall-jets”, J. Hydr. Res., 15 (3): 277 - 289, 1977.
• 15. G. J. C. M. Hoffmans, R. Booij, „The influence of upstream turbulence on local scour holes”, Public Works and Water Mgmt., Road and Hydr. Eng. Div., Delft, The Netherlands, 1993.
• 16. G. J. C. M. Hoffmans, K. W. Pilarczyk, „Local Scour Downstream of Hydraulic Structures”, Journal of Hydraulic Engineering ASCE, 121 (4): 326 - 340, 1995.
• 17. S. Wu, N. Rajaratnam, „Transition from hydraulic jump to open channel flow”, Journal of Hydraulic Engineering 122, 9: 526 - 528, 1996.
• 18. J. Urbański, „Wpływ turbulencji strumienia na rozmiary lokalnego rozmycia na modelu jazu”, Acta Scientiarum Polonorum Architectura, 07 (2): 3 - 12, 2008.
• 19. H. Zobeyer, N. Jahan, Z. Islam, G. Singh, N. Rajaratnam, „Turbulence characteristics of the transition region from hydraulic jump to open channel flow”, J. of Hydr. Res., 48, 3: 395 - 399, 2010.
• 20. C. Manes, M., Brocchini, „Local scour around structures and the phenomenology of turbulence”, J. Fluid Mech., 779, 309-324, 2015.
• 21. N. B. Rustiati, V. Dermawan, Rispiningtati, L. M. Limantara, “The influence of sandy clay bed material to local scour behavior”, Journal of Water and Land Development, 35, 193-202, 2017.
• 22. D. Guan, B. Melville, H. Friedrich, „Flow patterns and turbulence structures in a scour hole downstream of a submerged weir”, J. of Hydr. Eng., 140(1), 68-76, 2014.
• 23. S. O. Lee, S. H. Hong, „Turbulence characteristics before and after scour upstream of a scaled-down bridge pier model”, Water 11(9), 1900, 2019.
• 24. O. A. Karim, K. H. M. Ali, „Prediction of flow patterns in local scour holes caused by turbulent water jets”, J. Hydr. Res., 38, (4): 279 - 287, 2000.
• 25. J. Urbański, P. Siwicki, „Zastosowanie programu CFD Fluent do obliczeń charakterystyk turbulencji strumienia w dolnym stanowisku jazu”, Infrastructure and Ecology of Rural Areas, PAN, Oddział w Krakowie 4/2: 201 - 209, 2007.
• 26. P. Siwicki, „Numeryczne modelowanie rozmyć poniżej budowli piętrzących”, Scientific Review Engineering and Environmental Sciences, Issue 2(40): 155 - 168, 2008.
• 27. T. R. Al-Husseini, A. S. T. Al-Madhhachi, Z. A. Naser, “Laboratory experiments and numerical model of local scour around submerged sharp crested weirs”. Journal of King Saud University - Engineering Sciences 32, 167-176, 2020.
• 28. F. Lee, J. Lai, Y. Lin, K. Chang, X. Liu, Ch. Huang, “Prediction of Bridge Pier Scour Depth and Field Scour Depth Monitoring”. E3S Web of Conferences. 40. 03007, 2018.
• 29. M. Chandara, Z. Genguang, H. Vouchleang, Z. Shuang, F. Yulin, “Assessment of Turbulence Models on Bridge-Pier Scour Using Flow-3D”, World Journal of Engineering and Technology, 7(2), 241-255, 2019.
• 30. J. Urbański, „Rozmycia dna na modelu jazu ze zmienną długością umocnień w dolnym stanowisku”, Acta Scientiarum Polonorum Architectura 6 (2): 27 - 36, 2007.
• 31. J. Urbański, „Wpływ szorstkości umocnień w dolnym stanowisku jazu na lokalne rozmycia dna”, Scientific Review Engineering and Environmental Sciences, Issue 2(40): 169 - 177, 2008.
• 32. J. Urbański, „Eksperymentalne badania wpływu szykan wbudowanych na wypadzie jazu na wielkość rozmyć miejscowych”, „Bezpieczeństwo zapór - bezpieczeństwo ludności i środowiska” (pod red. W. Jankowskiego i A. Wity), Seria: Monografie Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej, IMGW, Warszawa, 185 - 194, 2009.
• 33. G. Oliveto, V. Comuniello, „Local Scour Downstream of Positive-Step Stilling Basins”, J. of Hydr. Eng. 135(10): 846 - 851, 2009.
• 34. M. A. Hossam, M. E. G. Mohamed, M. H. M. Ahmed, A. M. A. Abdel, S. F. A Fahmy, “Minimizing downstream scour due to submerged hydraulic jump using corrugated aprons”, Ain Shams Engineering Journal, 5, 1059-1069, 2014.
• 35. H. Hamidifar, M. Nasrabadi, M. H. Omid, “Using a bed sill as a scour countermeasure downstream of an apron”, Ain Shams Engineering Journal 9,1663-1669, 2018.
• 36. E. A. Elnikhely, I. Fathy, “Prediction of scour downstream of triangular labyrinth weirs”, Alexandria Engineering Journal, 59(2),1037-1047, 2020.
• 37. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dn. 20 kwietnia 2007 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budowle hydrotechniczne i ich usytuowanie (Dz. U. Nr 86, poz. 579).
• 38. S. Bajkowski, P. Siwicki, J. Urbański, „Wykorzystanie badań laboratoryjnych rozmyć poniżej budowli wodnych do oceny ich bezpieczeństwa”, Acta Scientiarum Polonorum Architectura, 1-2: 41-51, 2002.
• 39. Z. Hong, Z. Hongyan, D. Jianke. 2012. “Nonlinear static analysis of an asphalt concrete core dam for Comparison of three constitutive models”, Archives of Civil Engineering, LVIII, 4, 2012. Doi: 10.2478/V.10169-012-0027-7.
• 40. A. Duchaczek, D. Skorupka. “Evaluation of probability of bridge damage as a result of terrorist attack”, Archives of Civil Engineering, LIX, 2, 2013. Doi: 10.2478/Ace-2013-0011.
• 41. T. Bladyniec, „The history of the railway bridges by the citadel in Warsaw”, Archives of Civil Engineering, LXV, 1, 2010. Doi: 10.2478/ace-2019-0011.
• 42. J. Szer, “Safety of buildings and construction disasters” Archives of Civil Engineering, LXVI, 1, 2020. Doi: 10.24425/ace.2020.131788.