« ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΕΡΓΩΝ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ »   ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ TMHMA ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. Λάρισας ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ (Π.Μ.Σ.) με τίτλο: « ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΕΡΓΩΝ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ » M.Sc. : «Advanced Environmental Management Technologies in Engineering Works» Έγκριση λειτουργίας του ΠΜΣ : ΦΕΚ 1449/10-07-2015

Μάθημα Μ2 : ¨Περιβαλλοντική Διαχείριση Φυσικών Υδατορρευμάτων¨ Έναρξη κίνησης φερτών υλικών Η πρώτη μελέτη της έναρξης της κίνησης του υλικού στον πυθμένα φυσικών υδατορρευμάτων ξεκίνησε από τον Shields (1936), ο οποίος περιέγραψε το πρόβλημα χρησιμοποιώντας τις εξής παραμέτρους: την πυκνότητα του ρευστού, την πυκνότητα των φερτών υλικών, το κινηματικό ιξώδες του ρευστού, το μέγεθος των κόκκων και τη διατμητική τάση του πυθμένα. Όταν η ταχύτητα ροής σε έναν πυθμένα φυσικού υδατορρευματος, με μη συνεκτικό υλικό, αυξάνει επαρκώς, μεμονωμένοι κόκκοι υλικού του πυθμένα αρχίζουν να μετακινούνται. Η αστάθεια του πυθμένα είναι αποτέλεσμα αλληλεπίδρασης δύο παραμέτρων. Αρχικά κάθε κόκκος στην επιφάνεια του πυθμένα υποτίθεται ότι υπόκειται σε κρίσιμη διατμητική τάση. Ο κόκκος γίνεται ασταθής αν η διατμητική τάση στον πυθμένα υπερβαίνει την κρίσιμη τιμή. Λόγω του τυχαίου σχήματος, του βάρους και της θέσης των κόκκων, οι κρίσιμες διατμητικές τάσεις έχουν πιθανολογική κατανομή. Η άλλη παράμετρος είναι η διατμητική τάση του πυθμένα που παράγεται λόγω της ροής. Η πιθανότητα η διατμητική τάση στον πυθμένα να είναι μεγαλύτερη από την χαρακτηριστική κρίσιμη διατμητική τάση είναι ένα μέτρο της μεταφοράς των φερτών υλικών.

Σχήμα 1.1: Απεικόνιση φερτών υλικών Μάθημα Μ2 : ¨Περιβαλλοντική Διαχείριση Φυσικών Υδατορρευμάτων¨ Σχήμα 1.1: Απεικόνιση φερτών υλικών

Μάθημα Μ2 : ¨Περιβαλλοντική Διαχείριση Φυσικών Υδατορρευμάτων¨ Σχήμα 1.2: Ταξινόμηση φερτών υλικών σε κατηγορίες.

Σχήμα 1.3: Ταξινόμηση εδαφών. (Γερμανικοί κανονισμοί) Μάθημα Μ2 : ¨Περιβαλλοντική Διαχείριση Φυσικών Υδατορρευμάτων¨ Σχήμα 1.3: Ταξινόμηση εδαφών. (Γερμανικοί κανονισμοί)

Μάθημα Μ2 : ¨Περιβαλλοντική Διαχείριση Φυσικών Υδατορρευμάτων¨ Το 1936 ο Shields παρουσιάζει το κριτήριο έναρξης της κίνησης ομοιόμορφης κοκκομετρίας υλικού σε επίπεδο πυθμένα. Η κρίσιμη διατμητική τάση στον πυθμένα (ή κρίσιμη παράμετρος μετακίνησης) λαμβάνεται γραφικά από το διάγραμμα του Shileds (σχήμα 1.4) ή εφαρμόζοντας την εξίσωση που αντιστοιχεί στο διάγραμμα. Η κρίσιμη διατμητική τάση του πυθμένα ορίζεται ως εξής: Σύμφωνα με τον Shileds (1936) η κρίσιμη παράμετρος μετακίνησης είναι: Δ είναι η σχετική πυκνότητα = όπου d=D50 (m) , g=9.81 m/s2 είναι η κρίσιμη διατμητική ταχύτητα =

Μάθημα Μ2 : ¨Περιβαλλοντική Διαχείριση Φυσικών Υδατορρευμάτων¨ Σχήμα 1.4: Διάγραμμα του Shileds. Σχήμα 1.4: Διάγραμμα του Shileds.

Μάθημα Μ2 : ¨Περιβαλλοντική Διαχείριση Φυσικών Υδατορρευμάτων¨ Άλλη έκφραση της θεωρίας του Shields είναι με Ψc=Θ, η εξής (σχήμα 1.4) : (Ds σε m) Διατμητική τάση στον πυθμένα: Σχετικό ειδικό βάρος κόκκων: Ss = γs/γ = 2.65

Μάθημα Μ2 : ¨Περιβαλλοντική Διαχείριση Φυσικών Υδατορρευμάτων¨ Για συνθήκες που αντιστοιχούν σε σημείο πάνω από την καμπύλη, ο κόκκος θα μετακινηθεί ενώ δεν θα υπάρξει καμία κίνηση (ευσταθές υδατόρρευμα) όταν το σημείο βρίσκεται κάτω από την καμπύλη. Οι τιμές του Θ που αντιστοιχούν στα σημεία βρίσκονται στην καμπύλη ονομάζονται κρίσιμες και συμβολίζονται με Θc. Σχήμα 1.5: Νομογράφημα του Shileds (βιβλίο Δερμίση).

Μάθημα Μ2 : ¨Περιβαλλοντική Διαχείριση Φυσικών Υδατορρευμάτων¨ Σε ομοιόμορφη ροή (λογαριθμική κατανομή της ταχύτητας) σε έναν υδραυλικά τραχύ πυθμένα η κρίσιμη μέση ταχύτητα Uc είναι: Όπου C είναι ο συντελεστής του Chezy : όπου ks είναι η ισοδύναμη τραχύτητα του Nikuradse (m), για υδραυλικά τραχείς ροές ισχύει ks=3d90 και για υδραυλικά λείες ροές ισχύει ks=2d50, R είναι η υδραυλική ακτίνα (m) και κ είναι η σταθερά von Karman.

Μάθημα Μ2 : ¨Περιβαλλοντική Διαχείριση Φυσικών Υδατορρευμάτων¨ Αν το πλάτος Β της διατομής είναι μεγάλο σε σχέση με το βάθος ροής h, η Uc υπολογίζεται από τη σχέση: Ο Van Rijn (1984) έδωσε εμπειρικές σχέσεις υπολογισμού του Ψc συναρτήσει της στερεομεταφορικής διαμέτρου D*: με ν=40*10-6/(20+θ) όπου θ είναι η θερμοκρτασία του νερού (0C) και v (m2/s) είναι το κινηματικό ιξώδες του ρευστού.

Μάθημα Μ2 : ¨Περιβαλλοντική Διαχείριση Φυσικών Υδατορρευμάτων¨ Van Rijn (1984) Ψc = 0.24*D*-1 για D*≤4 Ψc = 0.14*D*-0.64 για 4<D*≤10 Ψc = 0.04*D*-0.1 για 10<D*≤20 Ψc = 0.013*D*-0.29 για 20<D*≤150 Ψc = 0.055 για D*>150 Μάθημα Μ2 : ¨Περιβαλλοντική Διαχείριση Φυσικών Υδατορρευμάτων¨

Μάθημα Μ2 : ¨Περιβαλλοντική Διαχείριση Φυσικών Υδατορρευμάτων¨ Παράδειγμα 1.1 (κρίσιμες συνθήκες ροής) Ένα υδατόρρευμα μεγάλου πλάτους έχει βάθος ροής ίσο με 5.0m. Ο πυθμένας καλύπτεται από αμμώδεις δίνες και το χαρακτηριστικό μέγεθος του υλικού του πυθμένα είναι d50=300 * 10-6m , d90=500* 10-6m και ρς=2650 kg/m3. Η θερμοκρασία του νερού είναι 200C (ν=10-6m2/s και ρ=1000 kg/m3 ). Ζητείται να υπολογιστεί η μέση κρίσιμη ταχύτητα ροής εφαρμόζοντας τη θεωρία του Van Rijn (1984). Η στερεομεταφορική διάμετρος D* υπολογίζεται ως εξής (Van Rijn (1984)): Σύμφωνα με τον Van Rijn (1984): Ψc = 0.14*D*-0.64 =0.14*7.6-0.64=0.038 για 4<D*≤10

Μάθημα Μ2 : ¨Περιβαλλοντική Διαχείριση Φυσικών Υδατορρευμάτων¨ Αν το πλάτος Β της διατομής είναι μεγάλο σε σχέση με το βάθος ροής h, η Uc υπολογίζεται από τη σχέση: για υδραυλικά τραχείς ροές ισχύει ks=3d90

Μάθημα Μ2 : ¨Περιβαλλοντική Διαχείριση Φυσικών Υδατορρευμάτων¨ Παράδειγμα 1.2 (εφαρμογή του κριτηρίου του Shields) (κρίσιμες συνθήκες ροής) Φυσικό υδατόρρευμα (ορθογωνικής διατομής) έχει τα ακόλουθα στοιχεία: Q=21.6m3/s, πλάτος b=12m, βάθος ροής h=1.5m, ταχύτητα ροής V=1.2m/s και κλίση πυθμένα S0=0.002. Ζητείται να προσδιοριστεί η διάμετρος του υλικού του πυθμένα Ds(mm) κατά την έναρξη κίνησης εφαρμόζοντας τη θεωρία του Shields (κινηματικό ιξώδες ρευστού v=1*10-6 m2/s). (Ds σε m) Υποθέτοντας ότι η ροή βρίσκεται στην πλήρως τραχεία περιοχή, όπου u*Ds/ν >500 από το νομογράφημα του Shields προκύπτει Θ= 0.06. άρα : Θ=0.001818/Ds = 0.06  Ds = 0.0303 m Έλεγχος αν βρισκόμαστε στην πλήρως τραχεία περιοχή:

Μάθημα Μ2 : ¨Περιβαλλοντική Διαχείριση Φυσικών Υδατορρευμάτων¨ Σωστό, βρισκόμαστε στην πλήρως τραχεία περιοχή.