Ugrás a tartalomhoz

Települési csapadékvíz gazdálkodás

Köles Péter (2011)

Szent István Egyetem

6.3. Csatornák hidraulikai méretezése

6.3. Csatornák hidraulikai méretezése

Nyílt felszínű csatorna méretezése

A csatornában történő áramlás esetén, a felszínen mindenütt atmoszférikus a nyomás (po), h mélységben pedig po+ρ·g·h, tehát azonos mélységben az áramlás mentén állandó. Az áramlási veszteségekre fordított teljesítményt itt nem a nyomáscsökkenés fedezi, mint a vízszintes csőben való áramlásnál, hanem a veszteségmagasság (Szlivka, 2003).

Az ábrán magasságokban fejeztük ki a veszteséges Bernoulli-egyenlet egyes tagjait:

  • a geodetikus magasságot, f-el;

  • a vízmélységet, m-el;

  • a sebesség magasságot, h-val és

  • a veszteségmagasságot, Δh'-vel.

6.6. ábra. Nyílt felszínű csatorna

Ezt egyenletben kifejezve:

A veszteségmagasságot a négyszög keresztmetszetű csövekben érvényes csősúrlódáshoz hasonlóan adhatjuk meg:

Ahol

melyben az "A" a csatorna keresztmetszete, a "K" pedig a nedvesített kerület. Használatosabb a vízépítő mérnöki gyakorlatban a hidraulikus sugár

amely az egyenértékű átmérő negyede

nem pedig a fele. Ennek az a magyarázata, hogy viszonylag széles csatornában a hidraulikus sugár közel egyenlő a vízmélységgel.

Állandó szélességű és esésű csatornában történő áramlásnál, a vízmélység (m) és a sebesség-magasság (h) nem változik a hossz mentén, így az ábrából látható, hogy a veszteség-magasság (Δh') megegyezik a geodetikus magasságkülönbséggel (f1-f2) az adott hosszon.

Fejezzük ki az előző egyenletből a „v” sebességet, figyelembe véve, hogy (de = 4 rh):

Felhasználva az esés definícióját:

Az „i” esés a meder lejtését fejezi ki, pl.: az (i = 0,002), 1000 méterenként 2 m esést jelent.

Így a sebesség:

Az átlagsebesség képletét át szokták alakítani olyan módon, hogy:

A „C” értékét 56-nak szokás felvenni, ami (λ = 0,025) értéknél adódik, ha a (λ = 0,03), akkor a „C” értéke 51. Ezt a képletet Chézy-képletnek nevezik.

Megjegyzés:

A Chézy-képlet helyett számos egyéb formula is használatos, mert bizonyos esetekben a csatorna érdességének megadása nem elég megbízható. Ezek közül csak egyet említünk meg a Bazin-képletet, amely a Chézy-képletben szereplő „C” konstans kiszámítására a következőt ajánlja:

A képletben szereplő tényező (α), a csatornafal minőségétől függ. Értékét kísérletileg határozták meg, amelyből néhány jellemző értéket a kővetkező táblázatban láthatunk.

Csatornafal érdességi tényezője

Zárt szelvényű csatorna méretezése

A csatornánál a Q vízhozamhoz tartozó h levonulási vízmagasságot a Chézy-képlettel meghatározni csak fokozatos közelítéssel lehet. Ezt a számítást legkönnyebben gépi úton vagy grafikon segítségével végezhetjük el.

Zárt, körszelvényű gravitációs vezetékek méretezése a Prandtl-Kármán-Colebrook képlet segítségével történik (Markó, 1989):

ahol: vT : telt szelvényű középsebesség [m/s], ν : szennyvíz kinematikai viszkozitása 1,31×10-6 m2/s, d : vezeték átmérő [m], g : nehézségi gyorsulás 9,81 m/s2, I : lejtés [-], k : csőfal érdessége [mm].

A „k” csőfal érdessége, mm-ben

A telt szelvényű sebességből meghatározható a telt szelvényű vízszállítás:

ahol:

- QT : telt szelvényű vízszállítás [m3/s],
- vT : telt szelvényű középsebesség [m/s],
- A : cső keresztmetszete [m2].

Az adott pont mértékadó vízmennyiségének, illetve a kérdéses cső telt szelvényű vízszállításának hányadosa segítségével meghatározható a tényleges vízsebesség, és úsztatási mélység a teltségi görbéből.

A kialakuló tényleges sebesség értékek kapcsán fontos, hogy ne lépjük túl az adott anyagra megengedett határsebességet.

Nyílt árkok esetén megoldást jelent a nagy sebességek estén a burkolat alkalmazása, viszont számolni kell azzal, hogy a hidraulikailag kedvezőbb érdességi viszonyok miatt a sebességek tovább nőnek.

6.7. ábra. Zárt szelvényű csatornák méretezése

A mértékadó csapadékvíz hozamok értéke csökkenthető a lefolyás szabályozás eszközeivel:

  • vízáteresztő felületek növelésével,

  • összegyülekezési idő növelésével,

  • tározók létesítésével (felszíni/ hálózati), és

  • vízgyűjtő terület csökkentésével.

A csapadékvizekhez történő hozzáállás szemlélete manapság kezd átalakulni.

A klímaváltozás kapcsán kezd elterjedni az a nézet, hogy a lehullott csapadékok minél nagyobb részét a keletkezés helyén kell elszikkasztani, visszatartani. A szikkasztás elősegíti a talaj vízháztartásának javítását, ezért meg kell teremteni a beszivárogtatás lehetőségét.

Önellenőrző feladatok

Adja meg a helyes választ a felsorolt lehetőségek közül!

  1. Írja fel és értelmezze a veszteséges Bernoulli-egyenletet!

  2. Hogyan határozható meg a veszteségmagasság egyenes csövekre?

  3. Mekkora a csősúrlódási tényező lamináris áramlásban?