Craciun C. Eduard-George - Rezumat

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCȚII BUCUREŞTI Facultatea de Hidrotehnică

REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT

ANALIZA FENOMENULUI DE AFUIERE

ÎN JURUL CORPURILOR PROFILATE AFLATE ÎNTR-UN CURENT DE APĂ

Ing. Eduard-George CRĂCIUN

Conducător ştiinţific Prof. Univ. Dr. Ing. Anton ANTON

BUCUREŞTI 2014

Rezumatul tezei de doctorat Eduard-George Craciun

2

Cuvânt înainte

In primul rând doresc să mulțumesc domnului prof. univ. dr. ing. Anton ANTON,

conducătorul meu științific, pentru încrederea acordată încă de la primul contact, pentru continua

îndrumare, susținere si încurajare. Suportul stiințific, recomandările și observațiile domniei sale,

de pe tot parcursul perioadei de pregătire a doctoratului și de elaborare a tezei finale, au

constituit un ajutor neprețuit, motiv pentru care îmi exprim profunda mea recunoștință.

Mulțumesc tuturor profesorilor care, de-a lungul timpului, au contribuit cu sfaturi, susținere

si suport material stiințific în activitatea mea de studiu. Cu un deosebit respect îi amintesc pe

domnul profesor Mircea Mănescu, primul meu profesor de hidraulica podurilor din timpul

studenției și pe domnul profesor Octavian Luca, care m-a indrumat cu sfaturi si mi-a oferit suport

stiintific la începutul perioadei de pregătire a lucrării de doctorat.

Le mulțumesc tuturor profesorilor din cadrul Catedrei de Hidraulică și Protecția Mediului și

personalului din Laboratorul de Hidraulică Didactică, care mi-au pus la dispoziție aparatura

necesară și m-au ajutat pe durata efectuării experimentelor.

Nu în ultimul rând, doresc să mulțumesc familiei mele și părinților mei pentru sprijinul și

suportul moral acordat de-a lungul timpului. În mod special multumesc mamei mele, cea care a

considerat totdeauna și care m-a făcut să înteleg că educația este darul cel mai de preț al unui om.

Eduard-George CRĂCIUN


3

CUPRINS

Cuvânt Înainte 2 Cuprins 3 CAPITOLUL 1. INTRODUCERE 4 1.1. Note introductive 4 1.2. Scopul lucrării 4 CAPITOLUL 2. DETERMINĂRI EXPERIMENTALE 6 2.1. Construcția modelului și descrierea canalului 6 2.2. Metodologia experimentelor 7 2.3. Experiment 1 – Pila circulara (panta longitudinala = 1%) 7 2.4. Experiment 4 – Pila circulară - similitudine model-natură 9 2.5. Măsurarea afuierilor prin scanare laser 11

2.5.1. Sistemul de scanare ScanStation 2 11 2.5.2. Scanarea modelului in laborator 11

2.6. Măsuratoarea afuierilor în natură 12 2.7. Concluzii 13 CAPITOLUL 3. ESTIMAREA PRIN CALCUL A AFUIERILOR 13 3.1. Estimarea numerică a afuierilor pe baza PD 95-2002 13 3.2. Calculul afuierilor folosind programul HEC-RAS 14 3.3. Estimarea numerică a afuierilor pe baza HEC-RAS 15 3.4. Prelucrări și interpretări 18 CAPITOLUL 4. ANALIZA COMPARATIVĂ A REZULTATELOR 19 CAPITOLUL 5. CONCLUZII, CONTRIBUțII șI PERSPECTIVE 21 BIBLIOGRAFIE 23


4

Capitolul 1. Introducere

1.1. Note introductive În proiectarea podurilor, un rol foarte important îl au calculele hidraulice deoarece ele stau la baza

stabilirii principalelor dimensiuni ale unui pod. Proiectantul de poduri trebuie sa aibă cunoștințe temeinice de hidrologie, să stăpânească problemele de bază ale hidraulicii râurilor și ale lucrărilor de regularizare a albiilor, astfel încât podurile proiectate să nu fie sub sau supradimensionate. Podurile sunt lucrari de artă, deci nu există două care să se asemene între ele. De aceea, proiectantul trebuie să analizeze foarte atent toate situațiile si ipotezele de care trebuie să țină cont în activitatea sa.

De exemplu, determinarea debitului cu asigurare dată, folosit în proiectarea podului este obținut prin prelucrarea probabilistică a măsurătorilor din natură. Dar acest debit nu este totdeauna constant. Apar situații când debitul este mult mai mare decât cel luat în calcul și pentru acest caz, trebuiesc prevăzute lucrări suplimentare dar care să nu ducă la o supradimensionare a podului.

O problemă specifică proiectanților de poduri este afuierea din jurul pilelor de pod. De-a lungul timpului au apărut o multitudine de formule de calcul care au ca scop predicția afuierilor. Problema a fost studiată atât în laborator cât și în natura și pentru fiecare situație în parte au fost emise relații de calcul. Dar fiecare din aceste relații au o limită de aplicabilitate și sunt valabile pe domenii restrânse, astfel că nu există, până în prezent, o formulă sau o teorie general valabilă pentru orice situație întalnită. Acest lucru scoate în evidență complexitatea si variabilitatea factorilor de influență și a fenomenului de afuiere în sine.

În funcție de specificitatea fiecarui pod, calculele hidraulice efectuate cu programe de calcul numeric ar trebui verificate prin studii de laborator sau măsurători in situu la poduri aflate în condiții similare.

1.2. Scopul lucrării În proiectarea oricărui pod se începe cu dimensionarea hidraulică. Pentru o evaluare cât mai exactă a

stabilității acestuia, sunt necesare calcule hidraulice privind tipul fundației și cota de fundare. În acest caz trebuiesc luate în considerare afuierile posibile care pot apărea pe timpul exploatarii podului.

Din informațiile acumulate în ultimile decenii, reiese că o serie de țări de pe întreg cuprinsul globului au suferit pagube datorate capriciilor vremii, atât inundații cât și incendii. De exemplu, în timpul inundațiilor din 1985-1987, în America, zona New-York-ului, 17 poduri au suferit avarii datorate afuierilor. În 1973, din 383 de poduri avariate de inundații, 25% au avut cedări la pile și 75% au înregistrat cedări ale culeelor. În Asia, problemele majore apărute în ultima perioadă au fost provocate de tzunami, care au măturat în calea lor tot ce au întâlnit. În țările Europei de vest, cum ar fi Franța, Anglia, Germania, Spania, Italia, s-au înregistrat probleme la poduri, în mare parte datorate afuierilor produse în urma unor inundații.

Romania s-a confruntat, în ultimul deceniu, cu cele mai mari inundații din ultimii 50 de ani. În anul 2005, datorită inundațiilor din aprilie-mai și mai apoi iulie-august, o serie de poduri au avut de suferit. Exceptând pagubele provocate în agricultură sau în plan social, aceste inundații au avut ca efect producerea unor degradări majore la poduri, o parte din ele ajungând la starea de colaps si cedare definitivă. Cauzele cedării podurilor au fost atât naturale cât și umane. Ploile abundente au condus la formarea viiturilor care au produs afuieri în zona infrastructurilor podurilor, atât la pile cât și la culei. Albiile necurățate au îngustat secțiunile de curgere, ceea ce a condus la creșterea vitezei apei datorită obturării albiei minore cu arbusti și plutitori. Modificarea cursului natural este un alt factor ce a condus la producerea afuierilor și mai departe la cedarea podurilor.

Figura 1. Pod pe DJ101I peste râul Prahova la Nedelea –

stânga - imediat după inundații, dreapta – un an după inundații


5

Realizarea unor lucrări în albie sau în apropierea podurilor, modificarea cotei talvegului prin excavații sau lucrări în imediata vecinătate a podului, au condus la dezvelirea fundațiilor prin antrenarea materialului din albie. Efectul a fost devastator în special la podurile fundate direct.

Figura 2. Pod la Câmpina – jud. Prahova Figura 3. Pod pe DN2 Km 114+508 la Mărăcineni Apa acționează distructiv asupra podurilor - lucrări de artă, motiv pentru care amănarea sau

neexecutarea la timp a lucrărilor necesare conduce la efecte negative asupra podurilor. Scopul lucrării este perfecționarea metodelor de proiectare a unui pod din punct de vedere hidraulic. Pentru aceasta se va urmări observarea diferențelor între rezultatele afuierilor obținute pe modele în

laborator, folosind ca pat al albiei nisip cu dimensiunea d50=0.20mm, rezultatele obținute prin modelare numerică și cele obţinute în urma măsurătorilor din natură. Modelarea numerică a afuierilor se face folosind programul HEC-RAS. În cazul în care aceste diferenţe sunt semnificative, modelul numeric urmează a fi calibrat pe baza datelor obţinute din măsurători.

Deasemenea, se urmareste observarea evoluţiei în timp a afuierilor şi a modificărilor ce apar în patul albiei în aval de obstacol, în cazul a două pile cu forme diferite (una circulară şi una lamelară) poziţionate în mijlocul unui curent de apă, într-un canal experimental.

In cadrul experimentelor efectuate în laborator, se foloseste un scaner de mare precizie cu ajutorul căruia se determină dimensiunile 3D ale gropii de afuiere ce se formează în jurul pilei (obstacolului) precum și modificarea patului albiei în amonte si aval de pilă.

Structura tezei de doctorat Capitolul 1 „Introducere” prezintă o scurtă introducere în tema abordată, scopul tezei de doctorat,

etapele și mijloacele folosite pentru atingerea obiectivelor propuse. Capitolul 2 „Mișcarea cu suprafață liberă” conține aspectele teoretice în care se înscrie tema

abordată. Primul subcapitol tratează fluidul monofazic cu mișcare uniformă și mișcare rapid variată din care face parte saltul hidraulic. Apoi este tratată mișcarea cu distribuție reală de viteză cu focalizare pe problema stratului limită. Al treilea subcapitol conține elemente teoretice privind mișcarea fluidului bifazic – mișcarea aluviunilor, în care sunt tratate ecuațiile de mișcare ale particulei aluvionare, transportul particulelor și mișcarea aluviunilor în râuri și canale. Ultimul subcapitol tratează teoria similitudinii și modelarea hidraulică.

Capitolul 3 „Elemente generale de calculul afuierilor” prezintă o succintă trecere în revistă a stadiului actual privind cercetarea afuierilor în Romania și abordarea acestui domeniu pe plan internațional. Capitolul conține elementele teoretice privind afuierile generale și locale precum și datele ce stau la baza dimensionării hidraulice a unui pod in funcție de afuieri.

Capitolul 4 „Determinări experimentale” conține cadrul, metodologia, desfășurarea si concluziile experimentelor realizate în laborator. Sunt prezentate patru experimente in care s-a urmărit inițierea și dezvoltarea în timp și spațiu a afuierilor produse în jurul unei pile de pod. În primul experiment s-a folosit o pilă cu secțiune circulară iar în al doilea experiment o pila lamelară, cu grosimea egală cu diametrul pilei folosite in primul experiment. Al treilea experiment a avut la bază o pilă cu secțiunea circulară, dar cu diametrul mai mare decât cel al pilei de la primul experiment. In al patrulea experiment s-a folosit o pila circulara ale carei dimensiuni au fost stabilite pe baza unei similitudini model-natură, plecând de la dimensiunile unui pod din Romania. Comparativ cu măsurarea afuierilor prin citirea valorilor pe miră, s-a studiat evaluarea afuierilor prin utilizarea tehnologiei laser. Astfel, în cadrul unor experimente efectuate în laborator, s-a folosit scanarea laser pentru întocmirea topografiei patului albiei utilizandu-se un scaner cu ajutorul caruia se culeg


6

informații bi- și tri-dimensionale de pe suprafața unui obiect (forme și mărimi ale acestuia). Deasemenea, au fost colectate și analizate, pentru a folosi ca suport de comparație, date referitoare la dimensiunile și afuierile unui pod existent în exploatare in Romania. Acest pod a folosit ca punct de plecare la realizarea similitudinii model-natură. Rezultatele obținute în experimente pot folosi ca date pentru tararea oricărui model matematic de calcul al afuierilor.

În încheierea capitolului sunt prezentate concluziile rezultate în urma efecuării experimentelor. Capitolul 5 „Estimarea prin calcul a afuierilor” prezintă modalitățile de calcul numeric a afuierilor

unui pod, având la bază standardul romanesc în vigoare la această dată și un program complex (HEC-RAS) folosit pentru analiza hidrologică a râurilor. Au fost efectuate calcule pentru previzionarea afuierilor maxime, prin ambele metode de calcul numeric. Calculele s-au efectuat pentru trei situatii analizate: modelul din laborator la scară redusă, similitudinea model-natură și podul aflat în exploatare.

Capitolul se încheie cu prelucrări ale datelor și interpretarea rezultatelor. Capitolul 6 „Analiza comparativă a rezultatelor” conține observații privind diferențele între

rezultatele obținute în cele trei moduri: modelare laborator, masurători în natură și modelare numerică. La rândul lor, aceste diferențe sunt analizate din trei perspective. Prima a fost compararea afuierilor pornind de la dimensiunile canalului folosit în experimentele din laborator, pentru cele trei moduri. A doua perspectivă o reprezintă compararea rezultatelor celor trei moduri de evaluare a afuierilor, pornind de la dimensiunile canalului adus la scară naturală prin similitudine geometrică. A treia perspectiva o reprezintă compararea rezultatelor obținute prin calcul numeric cu masurătorile efectuate în natură.

Capitolul 7 „Concluzii, contribuții și perspective” prezintă concluziile finale privind subiectul abordat în teza de doctorat, contribuțiile personale aduse pentru dezvoltarea științifică a subiectului tratat și posibilele studii ce pot fi abordate în viitor, pornind de la prezentul studiu.

Bibliografia conține referințele la lucrări și studii reprezentative pentru domeniul abordat în teza de doctorat, atât interne cât și internaționale.

Capitolul 2. Determinări experimentale

2.1. Construcția modelului și descrierea canalului Cercetările experimentale privind afuierile generale și locale s-au desfășurat în canalul cu pantă

variabilă și cu pereți vitrați „Sediment Demonstration Channel” existent în Laboratorul de Hidraulică al Institutului de Construcții București. Scopul încercărilor este de a determina adâncimea afuierilor produse în jurul unui corp solid cilindric așezat perpendicular pe patul albiei. Observațiile și rezultatele obținute servesc pentru calibrarea modelului numeric de determinare a afuierilor.

Descrierea canalului Canalul pentru demonstrarea procesului de sedimentare este alcătuit din patru elemente: canalul cu

pantă variabilă montat pe o ramă metalică, un bazin colector, o pompa de recirculare a apei și un bazin de liniștire.

Canalul are lungimea L = 1.55m, lățimea l = 7.80cm și adâncimea h = 11 cm. Patul albiei s-a realizat din nisip cu diametrul granulei Φ = 0,1...0,3 mm într-un strat de grosime δ =

3.5cm așezat pe fundul canalului, pe toată lungimea lui. Cercetările experimentale s-au efectuat la mijlocul canalului. Un cilindru vertical, fixat cu o ramă

de pereții canalului simulează prezența unei pile circulare de pod într-un curent de apa. Caracteristica granulometrică a nisipului: d50 = 0,20mm.

Tabel 1. Valori ale debitelor realizate în cadrul experimentelor

Treapta de debit Debit (cm3/s)

Adâncime curent (cm)

Viteza (cm/s)

Treapta 1 210 3 8.97

Treapta 2 350 3.5 12.82

Treapta 3 520 4 16.67

Valorile din tabel sunt valabile pentru o panta longitudinală a canalului de 1% .


7

2.2. Metodologia experimentelor Pentru simularea în laborator a producerii afuierilor în jurul pilelor podurilor am ales ca suport de

incercare „Canalul demonstrativ pentru transportul sedimentelor”. Avantajele folosirii lui constau în usurința modelării unei situații generale de afuiere a patului albiei în jurul pilelor. De asemenea, usurința modificării pantei fundului canalului, precum și simularea curgerii lamelare și turbulente a apei. Dezavantajul constă în neconcordanța dintre model și o situație reală, din punct de vedere al rugozității pereților. De asemenea, trebuie să se țină seama de faptul că în experimente s-a folosit apă curată.

În fiecare dintre experimente, pilele au fost poziționate in centrul canalului, în mijlocul curentului. Încercarile efectuate au avut ca scop observarea producerii afuierilor și măsurarea lor în situația unei pile de pod (numita în continuare obstacol) în curent uniform și neuniform.

Primele experimente au fost realizate folosind o pila cu secțiune circulară apoi o pila cu secțiune lamelară.

În primul experiment „1a” am pornit instalația corespunzător treaptei 1 de debit conform tabelului 1. În această situație curgerea are caracter laminar. La intervale constante de timp am măsurat valoarea afuierii și suprafața în plan a zonei din jurul pilei afectate de fenomenul de afuiere. Am considerat că afuierea s-a stabilizat dacă în urma a trei măsurători consecutive valorile au avut o variație mai mică de 5% din valoarea citită. După stabilizarea afuierii am mărit debitul trecând la treapta a doua corespunzator valorii de 350cmc/s. În acest caz, curgerea are caracter tranzitoriu între lamelar și turbulent. Pașii au fost aceiași ca la prima etapă, respectiv am măsurat valoarea afuierii până când s-a ajuns la o valoare maximă, valoare la care afuierea s-a stabilizat. Am trecut apoi la debitul corespunzator celei de-a treia trepte de debit și am facut măsuratori ale afuierii. Am urmărit evoluția afuierii și modificarea patului albiei atat în jurul pilei cat și în aval de obstacol.

Al doilea experiment „1b” a avut ca scop observarea evoluției afuierii în ipoteza producerii unei viituri. O cantitate mare de apă a fost acumulată în amonte de pila, în bazinul de liniștire, în timp ce pe canal se scurgea un debit de apa redus. Îndepartarea stavilarului s-a făcut treptat, dar suficient de repede încât sa simuleze producerea unei viituri. În aceste condiții am urmărit evoluția afuierii în jurul pilei și modificarea patului albiei atât în imediata vecinătate a pilei cât și în aval de obstacol.

Al treilea experiment „2a” a urmărit aceleași etape ca și primul dar cu deosebirea că obstacolul a fost o pila lamelară așezată paralel cu curentul de apa. Pentru fiecare treaptă de debit, am măsurat afuierea și modificarea patului albiei, și am înregistrat valorile la care afuierea s-a stabilizat.

În al patrulea experiment „2b”, folosind aceeași pilă lamelară, am dat drumul la apă corespunzător treptei a treia de debit. Scopul a fost să urmăresc producerea afuierii și apoi compararea valorilor finale ale afuierii în situația unui debit inițial mai mare decât în cazul experimentului „2a” unde cresșterea debitului este mai lentă.

Al cincilea experiment „2c” a constat în observarea și înregistrarea dezvoltării afuierii în cazul unui curent de apa care atacă pila lamelara sub un unghi „α” mic.

Experimentul al saselea „2d” a constat în simularea undei de viitură folosind ca obstacol pila lamelară. Încercarea a fost asemanatoare, ca desfasurare, cu cea din experimentul „1b”.

În experimentele „3a”, „3b”, „4a” și „4b” am folosit o pila circulară cu o dimensiune mai mare decât cea folosită la primele două. În această situație diametrul pilei a fost ales pe baza unei similitudini cu o pila a unui pod existent. Rezultatele experimentelor folosesc la verificarea și calibrarea modelului matematic de calcul al afuierilor.

2.3. Experiment 1 – Pila circulara (panta longitudinala = 1%) Experiment 1a. Pila circulară

O pilă circulară cu diametrul de 8mm este poziționată în mijlocul canalului. Se dă drumul la apă la debitul corespunzator primei trepte. La intervale variate de timp se măsoară afuierea în jurul pilei și dimensiunea în plan a acesteia. După o perioada de timp se observă o stabilizare a afuierii. Se consideră că afuierile s-au stabilizat dacă dimensiunile măsurate în trei citiri consecutive au o eroare mai mica de 5%. După 20 minute se măsoară o afuiere de 4mm. În plan, zona din jurul pilei afectată de fenomenul de afuiere este de forma circulară cu diametrul de 24mm. Distanța de la pilă până la frontul primului riflu format este de 25mm.


8

Figura 4. După 20 minute de la inceperea experimentului

Se trece la treapta a doua de debit și se măsoară afuierile la diferite intervale de timp. După stabilizarea afuierii se măsoară valoarea acesteia, care este de 6mm. Diametrul zonei influențate de afuiere este de 26mm. Riflul s-a deplasat spre aval și în 20 de minute frontul acestuia a ajuns la 27mm distanță de pila iar înălțimea acestuia este de 5mm. În plan, în amonte, zona influențată de afuiere este de 7mm până la pila iar în aval s-a măsurat o distanța de 12mm de la spatele pilei.

Particulele antrenate din jurul pilei sunt transportate pe distanța de 25cm spre aval.

Figura 5. Dupa 20 minute de la trecerea la treapta a doua de debit

Se trece la a treia treapta de debit și se fac măsuratori. La 15 minute de la modificarea debitului,

afuierea este de 8mm, circumferința zonei din jurul pilei afectată de fenomenul de afuiere este de 33mm. În amonte se măsoară 15 mm din axul pilei iar în aval 16mm din axul pilei. Particulele sunt transportate în suspensie pe distanțe mari, fiind antrenate atât din zona imediat învecinată pilei cât și din amonte de pilă. Frontul primului riflu se află la 42mm de la peretele pilei. Înalțimea lui este de 7.5mm.

La 30 minute afuierea ajunge la aproximativ 10mm. Zona influențată de afuiere este de 15mm măsurat de la fața amonte a pilei spre amonte, și de 16 mm măsurat de la fața aval a pilei spre aval. Frontul riflului s-a deplasat la 50mm de pilă.

Figura 6. La 30 min după trecerea la treapta 3 de debit


9

Rezultatele experimentelor sunt condensate în tabelul 2 și tabelul 3.

Tabel 2. Rezultatele afuierilor în situația creșterii constante a debitului

Tabel 3. Razultatele afuierilor în cazul viiturii

2.4. Experiment 4 – Pila circulară - similitudine model-natură Acest experiment are la bază similitudinea dintre un pod pe râul Prut și canalul cu pereți vitrați și

panta variabilă existent în laboratorul de hidraulică al UTCB. În continuare, cuvantul „natura” este folosit pentru dimensiunile și caracteristicile asociate râului Prut iar „model” celor asociate canalului cu pereți vitrați.

Condiția de similitudine este ca numărul Froude caracteristic curgerii râului natural să fie identic cu cel din model.

2.1

mn FrFr ≡ mapa

m

napa

n

hgv

hgV

unde: indicele „n” – se referă la „natură”; indicele „m” – se referă la „model”; Vn – viteza apei în natură; vm – viteza apei în model; hapa – adâncimea curentului de apa

Baza de plecare în realizarea similitudinii este adâncimea curentului de apă. Pe râul Prut adâncimea apei într-o secțiune amonte de pod, corespunzator debitului înregistrat în timpul viiturii din anul 2010, este de aproximativ 10m, iar pe model adâncimea apei este de aproximativ 4.00cm. Pornind de la aceste date, aleg factorul de scara pentru lungimi αl = 250 .

Panta fundului canalului folosit în laborator este im = 1.1% . Dimensiunea pilei podului este bn = 3.40m. Folosind factorul de scară, rezultă că pe model,

dimensiunea pilei trebuie să fie bm = 1.36cm. Factorul de scară pentru debite se calculează pe baza factorului de scară pentru lungimi după urmatoarea formulă:

2.2 2/5

ld => 510882.9 d Factorul de scară pentru viteze, calculat pe baza factorului de scară pentru lungimi, are formula:

2.3 2/1

lv => 811.15v Deoarece canalul din laborator are pereți vitrați, valoarea coeficientului de rugozitate este foarte

mică, ceea ce duce la necesitatea anulării influenței malurilor în canalul natural. Aceasta este una din condițiile realizării similitudinii.

Afuierea (mm) Experiment 3a

Pila circulară Φ13.6mm Treapta debit Experiment 1a Pila circulară

Φ8mm

Experiment 2a Pila lamelară

8mm Amonte Aval

Debit 1 4 4.5 7 5

Debit 2 6 7 12 6

Debit 3 10 11 15 10

Afuierea (mm)

Experiment 1b Experiment 2d

Începutul experimetului 10.5 5.5

În timpul viiturii 13 10

După viitură – debit ct. 11 7.5


10

Debitul înregistrat pe râul Prut cu ocazia viiturii din anul 2010 este Qn = 662 mc/s. Pe model, debitul de calcul corspunzător treaptei a treia, înregistrat în timpul experimentelor, când afuierile s-au măsurat folosind stația de scanare a fost Qm = 477cmc/s. Folosind coeficientul de scară pentru debite, rezultă că debitul pe model este mult mai mic decât debitul total al albiei naturale. Pentru îndeplinirea condiției de similitudine și a anulării influenței malurilor, în calcul, se va considera numai o porțiune „B`” din secțiunea transversală a albiei naturale.

Debitul din canal adus la scară naturală este: 2.4

dmn QQ 1 rezulta Qn1 = 471.377 mc/s .

Latimea B` a albiei naturale care corespunde debitului Qn1 se obține din sistemul: 2.5

nnapan

nnn

VhBQVAQ

`1

Pentru asigurarea similitudinii, la modelare, trebuie luată în considerare o fașie de 44.60m din lațimea totală a canalului natural.

Tabel 4. Datele de plecare pentru realizarea similitudinii

Date Natura Model

Adâncimea apei 10 m 4 cm

Diametrul pilei 3.40 m 1.36cm

Debitul 471.38 cu.m/s 477 cu. cm/s

Deasemenea, dacă dimensiunea particulelor din albia modelului este d50m = 0.20mm, folosind factorul de scară, rezultă că în albia râului natural dimensiunea d50n1 a particulelor este 50mm . Experiment 4a. Pila circulara – debit crescut progresiv

Pila cu diametrul de 1.36cm este pozitionată în mijlocul canalului. La treapta întâi de debit adâncimea curentului de apă este de 2.75cm. După cinci minute afuierile se stabilizează la 9mm adâncime în zona imediat amonte de pilă. Trec la treapta a doua de debit și după stabilizarea afuierilor valoarea citită este de 13mm. Trec la treapta a treia de debit pentru care nivelul apei a crescut la 4cm. La 20 de minute de la începerea experimentului afuierea citita este de 19mm, valoare care se mentine în timp (figura 25).

Figura 7. Vedere din aval Figura 8. Vedere din stânga

Experiment 4b. Pila circulara – debit maxim

Experimentul are aceleași conditii inițiale ca și cel de la experimentul 4a cu diferența că debitul de plecare este corespunzator treptei a treia a pompei hidraulice de 477cmc/s, fără a mai trece prin valorile intermediare. După zece minute de la începerea experimentului valoarea afuierii citită pe martorul atasat pilei este de 19mm în zona amonte a pilei (figura 26).

În timpul realizarii experimentelor 4a și 4b au fost efectuate și scanări ale fundului albiei.


11

2.5. Măsurarea afuierilor prin scanare laser

2.5.1. Sistemul de scanare ScanStation 2 Scanarea laser descrie o metodă prin care o suprafaţă este eşantionată sau scanată prin utilizarea

tehnologiei laser. Informaţiile colectate pot fi apoi folosite pentru a construi reprezentări bidimensionale sau modele tridimensionale ale obiectului scanat. Scanarea laser generează un set nou de informaţii - norul de puncte. Scanarea laser statică presupune faptul ca scanerul este ţinut într-o poziţie fixă în timpul achiziţiei informaţiilor. Scanerul ScanStation2 de la Leica Geosystems (Atlanta, Ga.)40 este portabil, putând fi instalat şi centrat pe un punct de staţie cu coordonate cunoscute sau pe puncte noi georeferenţiate.

2.5.2. Scanarea modelului in laborator Raportul de scară folosit la realizarea modelului în laborator, plecând de la dimensiunile unui pod

real este de 1/250. Din această cauza, măsuratorile efectuate pe model trebuie să aibă o precizie căt mai mare. În toate măsurătorile am extras câte o fașie delimitată de două planuri verticale. Unul este planul median longitudinal al canalului, perpendicular pe canal, iar celălalt este paralel cu primul și aflat la 5cm stânga față de direcția de curgere a apei.

În figura 10 este reprezentată starea inițială, momentul t = 0 înainte de începerea experimentului 4a. Figura este o vedere laterală perpendiculară pe canal. În acest caz scanerul a fost amplasat în partea stângă a canalului, în sensul de curgere al apei, la aproximativ 70cm deasupra canalului.

Figura 9. Decțiune longitudinală prin canal - începerea experimentului

Înainte de trecerea la treapta a treia de debit, după stabilizarea afuierii, am realizat o sacanare a

patului canalului - Figura 11. Valoarea afuierii a fost de 12.9mm rezultată din diferența cotelor a două puncte, unul imediat amonte de pila (-0.7744m) iar al doilea în amonte de pila în zona neinfluențată de prezența obstacolului (-0.7615m). Cotele punctelor sunt raportate la sistemul local al scanerului.

Figura 10. Sectiune longitudinalăa prin mijlocul canalului după stabilizarea afuierii – debit treapta 2

Pentru experimentul 4b, unde debitul de calcul a fost cel corespunzator treptei a treia, fară a mai trece prin treptele inferioare, valoarea maxima a afuierii, după stabilizare, este redată în figura 12.

Afuierea a rezultat din citirea cotelor pe axa z pentru puncte situate în amonte de pilă, în zona neinfluențată de prezența obstacolului (-0.7505), și puncte situate imediat amonte de pila (-0.7696). Coordonatele norului de puncte sunt date în metri și sunt raportate la sistemul local al scanerului. Din diferența celor două cote rezultă o valoare a afuierii de 19mm.


12

Figura 11. Sectiune longitudinala prin mijlocul canalului după stabilizarea afuierii – debit maxim

2.6. Măsuratoarea afuierilor în natură Amplasamentul obiectivului Drumul Naţional nr. 24 traversează râul Prut pe un pod ce face legătura între localităţile Sculeni

(România, judeţul Iaşi ) şi Sculeni (Republica Moldova) la km 219+527. Caracteristici geotehnice Cu ocazia întocmirii, în anul 2010, a studiului de fezabilitate pentru podul din zona Sculeni, raul

Prut, s-a întocmit un studiu geotehnic, elaborat de IPTANA SA, pe baza forajelor executate în zona albiei minore a râului Prut. Straturile geologice predominante sunt constituite din nisipuri şi depozite de nisipuri argiloase şi prăfoase. În zona malurilor la suprafaţă predomină formaţiuni de nisip fin gălbui cu liant argilos cu următorele diametre caracteristice: d50=0.09 mm, d95 =0.225mm, conform curbei granulometrice.

Date hidrologice La solicitarea IPTANA SA pentru întocmirea documentației studiului de fezabilitate, administrația

Natională „Apele Romane” Direcția apelor Prut a comunicat debitele maxime cu probabilitățile de depășire de 1% și 5% în secțiunea solicitată. Debitul cu asigurarea de 1% este Q1% = 700 m3/s iar debitul cu asigurarea de 5% este Q5% = 378 m3/s. Deasemenea, în anul 2010 la statia hidrometrică Sculeni s-a înregistrat un debit Q2010 = 662 m3/s.

Conform datelor topometrice, unda de viitură înregistrată pe râul Prut în 2008 (Qmax.=640 m3/s) şi 2010 (Qmax.=662 m3/s ) în secţiunea podului a produs modificări privind morfologia albiei prin eroziuni ale patului, albiei în special în zona aval de pila 2, situată în albia minoră, astfel: cota talvegului a fost modificată de la 34.5 m.d.MN75 (date topo 2007) la 30.60 m.d.MN75 în situaţia actuală (date topo 2010 la câteva luni după inundație).

Figura 12. Pod Sculeni – vedere din aval Figura 13. Pod Sculeni - Pila centrală

În anul 2007, cu ocazia expertizei intocmite de SC IPTANA SA, au fost executate ridicari

topografice pe drum și în albie, precum și sondaje geotehnice. Comparând profilele topografice executate în cele două etape, rezultă că în dreptul talvegului, afuierea totala a fost de aproximativ 4.50m. Patul albiei a coborăt de la cota +37.50m nivelul general al albiei în sectiunea din dreptul podului, la cota +33.12m măsurată în dreptul talvegului.


13

2.7. Concluzii - În cazul pilei circulare experimentele au arătat că, față de o variație progresivă, crescătoare, a debitului de apă (experimentele 1a, 3a și 4a) o creștere rapidă a debitului (experimentele 1b, 3b și 4b) are ca efect o creștere a adâncimii totale de afuiere cu aproximativ 8%. Afuierea produsă imediat amonte de pila este cu 15% mai mare decât cea din aval. - O pilă lamelară generează afuieri mai mari cu cel putin 10% decât o pilă circulară cu diametrul egal cu grosimea pilei lamelare. - Modificarea debitului, respectiv creșterea bruscă a acestuia, în ipoteza unui debit foarte mare de apă (viitură) ce urmează unui debit redus de apă (perioadă/anotimp mai secetos) generează accentuarea temporară a afuierilor, în vecinătatea pilei, atât în zona aval cât și amonte (experimente 1b și 2d). Afuierile oscilează în timp datorită deformării patului albiei, însă această situație se realizează numai pe perioada viiturilor. - Afuierile maxime se ating în momentul producerii viiturii. După trecerea viiturii, când debitul revine la o valoare aproximativ constantă în timp, se constată depuneri de material în imediata vecinătate a pilei. În acest caz, adâncimea afuierii revine aproape de valoarea măsurată înaintea viiturii dar se mentine la o valoare mai mare decât în cazul unei cresteri mai lente a debitului. - Folosirea unor aparate performante pentru măsurare, cum ar fi scanerele, conduce la obtinerea unor informatii detaliate atât în ceea ce priveste cantitatea cât și calitatea. Planurile topografice rezultate în urma scanărilor sunt reprezentări tri-dimensionale ale obiectelor din spațiu. Acest lucru conduce la o mai bună măsurare a evoluției și a modificărilor ce survin în albia unui râu. Rezultatele obținute sunt ușor de procesat deoarece pot fi introduse într-un program specializat care facilitează prelucrarea lor. Deasemenea, timpul necesar profilarii unei albii este redus, în comparație cu metoda clasică, care se bazează pe folosirea unor stații topografice. Un alt avantaj îl reprezintă faptul că, aparatul fiind fixat într-o poziție convenabilă, poate obține informații din locuri greu accesibile utilizatorului, și cu riscuri minime pentru acesta. - Scanarile au fost efectuate în laborator, în condițiile folosirii unei ape curate. Rezultatele bune obținute în laborator fac posibilă utilizarea aparatului și în situațiile din natură. În acest caz trebuie să se țină cont de posibila prezență a plutitorilor și a unei ape cu transport ridicat de aluviuni, care poate împiedica obținerea unor rezultate satisfăcătoare. - Rezultatele descrise până acum în această lucrare se bazează pe măsuratorile empirice ale afuierii în laborator. Ca atare, rezultatele obținute trebuiesc limitate ca aplicabilitate, la condițiile impuse de canalul folosit și la ipotezele care au stat la baza experimentelor.

Capitolul 3. Estimarea prin calcul a afuierilor

3.1. Estimarea numerică a afuierilor pe baza PD 95-2002 A. Calculul afuierilor pentru modelul la scară redusă, din laborator Calculul afuierii generale Adâncimea apei: hapa = 4.0cm Debitul de calcul Qm = 477cm3/s Diametrul particulelor: d50 = 0.20mm Dimensiunea pilei: b = 1.36cm Lățimea canalului: B = 7.80cm Viteza apei în regim liber: vm = 15.288cm/s Viteza apei în secțiunea pilei: vmp = 18.517cm/s Coeficientul de afuiere generală, calculat, este : E = 1.21 Adâncimea apei haf în dreptul podului, după producerea afuierilor generale este: hafg = 4.845cm, Afuierea generală maximă este: aaf gen = 0.845cm, Calculul afuierii locale Viteza de antrenare a aluviunilor de pe patul albiei se calculează pe baza tabelului 6.2 din PD95-2002, corespunzătoare d50 și haf este: Va = 39cm/s . Viteza medie a curentului în amonte de pilă în regim natural vm = 15.288cm/s Calculul afuierilor locale în dreptul infrastructurilor: hafl = -0.743cm

Calculul afuierii totale : Afuierea totală calculată pe baza formulei 5.4 este : aaft = 0.845cm + (-0.743)


14

B. Calculul afuierilor pentru modelul din laborator adus la scară naturală Calculul afuierii generale Adâncimea apei - model: hapa = 4.0cm Coeficientul de scară pentru lungimi : αl = 250 Adâncimea apei la scară naturală: hapan = hapa x αl = 10m Debitul de calcul pe model: Qm = 477cm3/s Coeficientul de scară pentru debite: αd = αl

5/2 => αd = 9.882x105 Debitul de calcul la scară naturală: Qn = Qm x αd = 471.377 m3/s Diametrul particulelor la scară naturală: d50 = 0.20mm x αl = 50mm Dimensiunea pilei: b = 3.40cm Viteza apei în regim liber, pe model: vnm = 15.288cm/s Coeficientul de scară pentru viteze: αv = αl

1/2 => αv = 15.811 Viteza apei la scară naturală: Qn = Qm x αd = 2.417m/s Viteza apei în secțiunea pilei: vnp = 18.517cm/s Coeficientul de afuiere generală, calculat, este : E = 1.21 Adâncimea apei haf în dreptul podului, după producerea afuierilor generale este : hafgn = 12.112m, Afuierea generală maximă este: aaf gen = = 2.112m, Calculul afuierii locale: Viteza de antrenare a aluviunilor, corespunzatoare d50 și hafgn este: Va = 3.97m/s . Viteza medie a curentului în amonte de pilă în regim natural vm = 2.417cm/s Calculul afuierilor locale în dreptul infrastructurilor : hafl = 1.396m Calculul afuierii totale : Afuierea totală este : aaft = 2.112m + 1.396m = 3.508m Adusă la scara modelului, afuierea totală este : aaft_m = 3.508m / 250 = 1.403cm C. Calculul afuierilor pentru modelul din laborator adus la scară naturală, albia formată din particulele canalului natural Calculul afluerii generale Diametrul particulelor : d50 = 0.09mm Adâncimea apei haf în dreptul podului, după producerea afuierilor generale este : hafgn = 12.112m, Afuierea generală maximă este: aaf gen = 2.112m, Calculul afuierii locale: Viteza de antrenare a aluviunilor de pe patul albiei se calculează pe baza tabelului 6.2 din PD95-2002, corespunzatoare d50 și hafgn este: Va = 1.154m/s . Viteza medie a curentului în amonte de pilă în regim natural vm = 2.417m/s Calculul afuierilor locale în dreptul infrastructurilor: hafl = 2.813m Calculul afuierii totale : Afuierea totală calculată este : aaft = 4.924m Adusă la scara modelului, afuierea totală este : aaft_m = 4.924m / 250 = 1.97cm

3.2. Calculul afuierilor folosind programul HEC-RAS Pentru realizarea modelului computerizat am utilizat aplicaţia HEC-RAS (Hydrologic Engineering

Center - River Analysis System) elaborată de către US Army Corps of Engineers. Aplicaţia HEC-RAS s-a recomandat în domeniul hidrologic ca fiind un program complex, cu multe funcţionalităţi. Calculul afuierilor

Calculul afuierilor la poduri, care stă la baza programului HEC-RAS, se bazează pe metoda descrisă în “Hydraulic Engineering Circular No. 18” (HEC No. 18, FHWA, 2001).

Calculul afuierii generale în situația fără transport sedimentar din amonte (Laursen 1963) 15: 3.1

7/3

22

3/2

22

2

WCDQym

; ys = y2 – y0

unde: Dm – Diametrul celei mai mici particule netransportabile (1.25 D50) în secțiunea contractată(m); D50 – Diametrul mediu al perticulei din patul albiei (m); C = 40 pentru SI (metri); C = 130 pentru unități engleze.


15

Afuierea locală se calculează folosind ecuația dată de Colorado State University (CSU) (Richardson, 1990) folosită atât pentru cazul transportului cât și pentru ape curate, fără transport de material. Ecuația CSU folosită de hec-ras pentru afuierea locală este:

3.2 43.0

135.0

165.0

43212 FryKKKKys unde: ys – adâncimea afuierii (m); K1 – Factor de corecție în funcție de forma pilei; K2 – Factor de corecție în funcție de unghiul de atac; K3 – Factor de corecție în funcție de starea patului albiei; K4 – Factor de corecție în funcție de diametrul particulelor din patul albiei; α – lățimea pilei (m); y1 – adâncimea curentului în secțiunea imediat amonte de pod (m); Fr1 – Numarul Froude în secțiunea imediat amonte de pod (m). Formula lui Froehlich (1991) este folosită pentru a compara dimensiunile cu cele obținute în urma măsuratorilor in situ. Formula este:

3.3 aDFryays 09.0

5022.0

147.0

162.0`32.0

unde: Φ – factor de corecție în funcție de forma pilei; a’ – lățimea pilei proiectată pe direcția curentului. Afuierea totală rezultă prin însumarea afuierii generale și a afuierii locale pentru fiecare

infrastructură a podului în parte.

3.3. Estimarea numerică a afuierilor pe baza HEC-RAS A. Calculul afuierilor pentru modelul la scara redusă

Tabel 5. Caracteristicile curgerii în secțiunea pod-amonte

Figura 14. Sectiune transversală în dreptul pilei – calculul afuierii

Plan: Modelare canal laborator Statie: 41.5 Pod amonte Profile: PF 1 E.G. Elev (m) 0.05 Element Left OB Channel Right OB Vel Head (m) 0 Wt. n-Val. 0.012 W.S. Elev (m) 0.05 Reach Len. (m) 0.01 0.01 0.01 Crit W.S. (m) 0.03 Flow Area (m2) 0 E.G. Slope (m/m) 0.001627 Area (m2) 0 Q Total (m3/s) 0 Flow (m3/s) 0 Top Width (m) 0.06 Top Width (m) 0.06 Vel Total (m/s) 0.17 Avg. Vel. (m/s) 0.17 Max Chl Dpth (m) 0.04 Hydr. Depth (m) 0.04 Conv. Total (m3/s) 0 Conv. (m3/s) 0 Length Wtd. (m) 0.01 Wetted Per. (m) 0.24 Min Ch El (m) 0.01 Shear (N/m2) 0.19 Alpha 1 Stream Power (N/m s) 3.74 0 0

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08-0.02

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10Bridge Scour RS = 41.5

Station (m)

Ele

vatio

n (m

)

Legend

WS PF 1

Ground

Bank Sta

Total Scour


16

B. Calculul afuierilor pentru modelul adus la scară naturală – similitudine cu râul Prut Dimensiunea particulelor din albie d50 = 50mm

Figura 15. Secțiune transversală în zona podului – calculul afuierii – diametrul particulelor 0.20mm

C. Calculul afuierilor pentru modelul adus la scară naturală – similitudine cu râul Prut Dimensiune particule albie d50 = 0.09mm

Figura 16. Secțiune transvresală în zona podului – calculul afuierii – diametrul particulelor 0.09mm D. Calculul afuierilor pe râul Prut – conform ridicărilor topografice

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 8034

36

38

40

42

44

46

48

Raul Prut Plan: Plan 05 RS = 43 amonte pod

Station (m)

Ele

vatio

n (m

)

Legend

EG Q1%

WS Q1%

EG Q2010

WS Q2010

EG Q2%

WS Q2%

EG Q5%

WS Q5%

Crit Q1%

Crit Q2010

Crit Q2%

Crit Q5%

0.2 m/s

0.4 m/s

0.6 m/s

0.8 m/s

1.0 m/s

1.2 m/s

1.4 m/s

1.6 m/s

Ground

Bank Sta

.05 .035 .05

Figura 17. Distribuția de viteze în secțiunea imediat amonte pod

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 8025

30

35

40

45

50Bridge Scour RS = 40

Station (m)

Ele

vatio

n (m

)

Legend

WS Qmax

Ground

Bank Sta

Contr Scour

Total Scour

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 8025

30

35

40

45


Station (m)

Ele

vatio

n (m

)

Legend

WS Qmax

Ground

Bank Sta

Contr Scour

Total Scour


17

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 8034

36

38

40

42

44

46

48

50

Raul Prut Plan: Plan 05 RS = 40 BR pod

Station (m)

Ele

vatio

n (m

)

Legend

EG Q1%

WS Q1%

EG Q2010

WS Q2010

EG Q2%

WS Q2%

EG Q5%

WS Q5%

Crit Q1%

Crit Q2010

Crit Q2%

Crit Q5%

0.4 m/s

0.6 m/s

0.8 m/s

1.0 m/s

1.2 m/s

1.4 m/s

1.6 m/s

1.8 m/s

Ground

Bank Sta

.05 .035 .05

Figura 18. Distribuția de viteze în secțiunea podului

Pentru debitul de 700m3/s corespunzător asigurării de 1%

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 8025

30

35

40

45


Station (m)

Ele

vatio

n (m

)

Legend

WS Q1%

Ground

Bank Sta

Contr Scour

Total Scour

Figura 19. Afuierile produse la pilele podului pentru debitul cu asigurarea de 1%

Pentru debitul de 662m3/s debit maxim înregistrat pe râul Prut în anul 2010

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 8025

30

35

40

45


Station (m)

Ele

vatio

n (m

)

Legend

WS Q2010

Ground

Bank Sta

Contr Scour

Total Scour

Figura 20. Afuierile produse la pilele podului pentru debitul înregistrat în anul 2010


18

Pentru debitul de 590m3/s corespunzător asigurării de 2%

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 8025

30

35

40

45


Station (m)

Ele

vatio

n (m

)

Legend

WS Q2%

Ground

Bank Sta

Contr Scour

Total Scour

Figura 21. Afuierile produse la pilele podului pentru debitul cu asigurarea de 2%

3.4. Prelucrări și interpretări Calculele au fost efectuate plecând de la caracteristicile geometrice și hidraulice ale modelului din

laborator, și de la similitudinea cu un sector de 50m (în amonte și aval) din râul Prut, în zona podului din localitatea Sculeni.

Calculul afuierilor, pe baza normativului PD95/2002, a fost realizat pentru următoarele situații. Prima a constat în calculul afuierilor produse în canalul cu pantă variabilă din laborator. Afuierea

generală calculată a fost de 8.5mm. Afuierea locală care se calculează pe baza vitezei medii de antrenare a particulelor, care la rândul ei depinde de diametrul particulelor, a rezultat cu valoare negativă. Adâncimea apei înregistrată în experimente, este mult în afara plajei de valori pe care tabelul, pe baza căruia se calculează viteza de antrenare a particulelor, le conține. În concluzie, folosirea PD 95-2002 pentru un model la scară redusă conduce la erori mari în ceea ce privește estimarea afuierilor produse la poduri. A doua situație a constat în aducerea caracteristicilor modelului la scară naturală pentru a permite efectuarea unor calcule conforme cu ordinul de dimensiune al datelor din natură, pentru care normativul are aplicabilitate. Folosind un factor de scară pentru lungimi αl = 250, prin similitudine cu caracteristicile geometrice și hidraulice ale râului Prut, am adus dimensiunile canalului la scară naturală. Dimensiunea d50 = 0.2mm (nisip fin) a particulelor din patul canalului a fost afectată cu coeficientul de scară al lungimilor rezultând o valoare de 50mm (pietriș de râu mijlociu spre mare). Aplicând formula 5.1 și 5.2 a rezultat o afuiere generală de 2.1m și o afuiere locală de 1.4m. La scară naturală, afuierea totală rezultat este de 3.51m care, adusă la scara modelului conduce la o afuiere totală de 1.4cm. Afuierea astfel calculată reprezintă 74% din afuierea măsurată în experimente.

A treia situatie analizată a fost folosirea dimensiunii d50 = 0.09mm a agregatelor din patul albiei naturale a râului analizat. Cu ocazia întocmirii studiului de fezabilitate din anul 2011, IPTANA SA a executat foraje geotehnice și perforări în amplasamentul podului. Conform diagramei distribuției granulometrice, rezultate în urma forajelor, patul albiei râului Prut este alcătuit dintr-un strat de nisip cu îndesare medie, saturat, uniform, cu caracteristicile d50 = 0.09mm și d95 = 0.225mm. Afuierea generală calculată a fost de 2.11m. Valoarea afuierii locale calculate cu formula 5.3 a fost de 2.81m, care, adusă la scara modelului, este de aproximativ 12mm. Afuiere totală rezultată în urma calculului care are la baza standardul romanesc de calcul a fost 4.92m. Adusa la scara modelului, valoarea afuierii este de 1.97cm; în această situație afuierea calculată se compară cu afuierea măsurată în teren, fiind mai mare cu aproximativ 4%.

Un al doilea set de estimari ale afuierilor s-a bazat pe folosirea programului HEC-RAS. Într-o prima evaluare, am modelat canalul din laborator, pe care s-au facut experimentele, folosind ca baza de plecare dimensiunile reale, ale canalului cu panta variabila. Rezultatul obtinut din calcul pentru afuierea locală a pilei a fost de 1.90cm, valoare egală cu valoarea afuierii locale rezultată în urma experimentelor și anume 1.90cm.

Deoarece dimensiunile canalului sunt prea mici (de ordinul centimetrilor), raportate la dimensiunile unui curs real natural, și pentru că ordinul de mărime pentru care programul furnizează corect rezultatele


19

este limitat la a doua zecimală (centimetri), rezultatele furnizate de HEC-RAS pot fi distorsionate. Din această cauză a fost necesară realizarea unei similitudini între canalul cu pantă variabilă și cursul unui râu natural – râul Prut. În urma similitudinii, a rezultat modelul la scară naturală. Acesta reprezintă o porțiune de 78.5m din lungimea cursul râului Prut, și o fasie de 44.60m din lățimea albiei minore a râului, considerată de o parte și de alta a pilei centrale a podului ce travesează râul, pila situată în zona talvegului. Plecând de la aceste date, am calculat afuierea ce se poate produce în jurul pilei în mai multe situații. Aceste situații se diferențiază prin dimensiunea d50 a particulelor considerate în patul albiei.

În a doua situație am pornit de la realizarea similitudinii dintre model și natură, care presupune aducerea la scară a dimensiunilor particulelor folosite pe model pentru patul canalului. Folosind factorul de scară considerat în similitudinea geometrică, dimensiunea particulelor din patul albiei râului trebuie să fie d50 = 50mm. În acest caz a rezultat o valoare a afuierii locale de 4.59m, care, adusă la scara modelului, conduce la o valoare de 1.836cm. Această valoare reprezintă 97% din valoarea afuierii măsurate în laborator, respectiv 1.90cm.

În a treia situație am considerat dimensiunea particulelor d50 = 0.09mm, dimensiunea reală a particulelor din albia râului. Rezultatele au condus la o valoare a afuierii generale de 0.33m și a afuierii locale de 4.59m. Adunând aceste două valori rezultă afuierea totală de 4.92m. La scara modelului afuierea totală este de 1.97cm.

Pentru a putea face o comparație cu valoarea afuierii măsurată in situu, am modelat albia râului Prut conform datelor culese din teren. Diametrul particulelor din patul albiei este d50 = 0.09mm. Pentru debitul cu asigurarea de 1%, Q1% = 700mc/s, valoarea afuierii totale la pila centrală, situată în mijlocul albiei minore, calculată cu programul HEC-RAS este de 4.60m. Pentru debitul din anul 2010 pentru care s-a realizat și similitudinea cu modelul la scară redusă din laborator Q2010 = 662mc/s, afuierea totală calculată este de 4.54m iar pentru debitul cu asigurarea de 2%, debit pentru care se dimensionează podurile din Romania, Q2% = 590mc/s afuierea totală calculată este de 4.42m.

Capitolul 4. Analiza comparativă a rezultatelor Scopul lucrarii de față este de a observa diferențele între rezultatele afuierilor obținute în trei

situații, pentru o pila de pod de formă circulară aflată într-un curent de apa. Prima situație o reprezintă măsurătorile efectuate în natură, în albia râul Prut, în apropierea localității Sculeni, în zona podului de pe Drumul National 24.

A doua situație o reprezinta măsurarea afuierilor în cadrul experimentelor realizate pe un model la scară redusă în laborator, pornind de la dimensiunile pilei podului ce traverseaza râul Prut. Măsurarea afuierilor, în cazul experimentelor efectuate în laborator, a avut la bază două modalitati: una a fost citirea afuierilor pe o miră atașată de pila folosită în experimente iar a doua s-a bazat pe analiza afuierilor înregistrate prin scanarea albiei cu un aparat de scanare laser de precizie.

A treia situație o reprezintă estimarea afuierilor prin calcul numeric pe baza normativului de proiectare hidraulică a podurilor și podetelor, indicativ PD95-2002 și pe baza modelarii numerice folosind programul HEC-RAS River Analysis System dezvoltat de US Army Corps of Engineers. Analiza comparativă a rezultatelor a fost condusă pe trei direcții.

Masurarea afuierii - dimensiuni laborator

1.9 1.9

0.1

1.9

00.20.40.60.8

11.21.41.61.8

2

Mira Scaner PD95-2002 HEC-RAS

Metoda evaluarii afuierilor

Valo

ri af

uier

i (cm

)

Series1

Figura 22. Determinrea afuierilor pornind de la dimensiunile canalului


20

Într-o prima variantă am început cu determinarea afuierilor pornind de la dimensiunile canalului folosit în experimentele din laborator. Aceste dimensiuni sunt de ordinul centimetrilor. Rezultatele obținute în cele trei situații analizate sunt evidentiațe în graficul din figura 24.

După cum se poate vedea, măsuratorile efectuate cu ajutorul scanerului sunt apropiate de cele obținute în urma citirilor pe miră. În experimente s-a folosit apă curată, fără transport masiv de sedimente, iar curentul nu a înregistrat turbulențe majore. În această situație, rezultatele obținute prin folosirea stației de scanare sunt concludente, valabile și satisfăcătoare. În cazul în care curentul de apă se caracterizează prin transport de material solid, în funcție de dimensiunea particulelor și de concentrația lor, rezultatele pot fi neconcludente iar folosirea acestui model de scaner să nu mai permită obținerea unor rezultate satisfăcătoare. Deasemenea, o turbulență accentuată a cursului poate conduce la erori în stabilirea cu exactitate a rezultatelor. În concluzie, scanerul laser poate fi folosit la determinarea profilului albiei și evaluarea afuierilor produse în jurul pilelor cu restricția respectarii condițiilor mai sus amintite.

Valoarea afuierii locale calculată pe baza normativului de proiectare nu a putut fi corect determinată. Pentru dimensiuni ale adâncimii apei de ordinul centimetrilor, normativul nu poate aproxima exact valoarea afuierii locale.

Modelarea numerica bazată pe programul de calcul HEC-RAS a returnat o valoare a afuierii locale egala cu valoarea măsurată în experimentele efectuate în laborator. Totuși, programul are unele limitări ce constau în returnarea exacta a valorilor afuierilor, tinând cont ca ordinul de mărime la care programul face rotunjirea este zecimala. Cu toate acestea, consider că rezultatele furnizate de HEC-RAS sunt corecte deoarece se înscriu în marja de eroare acceptată în proiectare.

În a doua variantă, pornind de la dimensiunile canalului folosit în experimentele din laborator, pe baza similitudinii geometrice, am trecut la dimensiuni la scară naturală (metri), pentru care am calculat afuierile. Rezultatele obținute sunt evidențiate în graficul din figura 25.

Măsurătorile experimentale, aduse la scară naturală, conduc la o valoare a afuierii de 4.75m. Afuierea măsurată la o perioadă de timp după trecerea viiturii din 2010 a evidentiat o erodare a albiei râului în zona talvegului de aproximativ 4.50m. Experimentele de laborator au arătat că în urma unei viituri, după ce debitul revine la o valoare aproximativ constantă, într-o perioada mai mare de timp, se produc depunei de material aluvionar reducând astfel afuierea chiar și cu 15% din valoare înregistrată în timpul viiturii. În consecință, este posibil ca valoarea maximă a afuierii produsă pe râul Prut, în dreptul pilei centrale, să ajungă la 5.00m. Avand în vedere că valoarea afuierii înregistrate în albia râului Prut reprezinta 95% din valoarea afuierii obținută pe cale experimentală, consider ca rezultatele experimentale sunt concludente și concordă cu realitatea. Astfel, rezultatele obtinute pe modele la scară redusă, în laborator, pot fi folosite ca bază de estimare pentru afuierile produse la scară naturală.

Masuratoarea afuierii - dimensiuni natura

4.75 4.75

3.51

4.59 4.50

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

4.50

5.00

M ira Scaner PD95-2002 d0.50 HEC-RAS d0.50 Natura

M eto d a evaluari i af uier i lo r

Series1

Figura 23. Determinrea afuierilor pornind de la dimensiuni naturale

Afuierea calculată pe baza normativului de calcul hidraulic al podurilor PD95-2002 este de 3.51m

valoare care reprezintă aproximativ 76% din valoarea măsurată în experimente și 71% din valoarea afuierii măsurate în albia râului.

Calculul numeric pentru evaluarea afuierilor, folosind programul HEC-RAS, a condus la obținerea unei afuieri locale de 4.59m, valoare cu 2% mai mare decât afuierea măsurată în albia râului și cu 6 % mai mică decât cele obținute în experimentele de laborator. Rezultatele obținute se înscriu în limitele admise.


21

A treia variantă o reprezintă compararea afuierilor obținute prin modelare numerică cu cele inregistrate în măsuratorile topografice, raportată la dimensiunile și caracteristicile reale ale albiei râului natural figura 26.

Masuratoarea afuierii

4.92

4.59

4.50

4.20

4.30

4.40

4.50

4.60

4.70

4.80

4.90

5.00

PD95-2002 d0.09 HEC-RAS d0.09 Natura

Metoda evaluarii afuierilor

Valo

area

afu

ierii

(m)

Series1

Figura 24. Compararea afuierilor calculate cu cele măsurate în natura

Folosind ca baza de plecare dimensiunile naturale ale râului Prut precum și caracteristicile

granulometrice ale patului albiei, am calculat afuierile pe baza normativului PD95-2002 și HEC-RAS. Comparativ cu valoarea măsurată în albie, afuierea calculată pe baza formulelor din PD95-2002 este cu 10% mai mare, iar cea calculată prin HEC-RAS este cu 2% mai mare.

În concluzie, pornind de la dimensiunile modelului, calculul afuierii pe baza normativului PD95-

2002, nu este recomanadat. Rezultatele obtinute diferă foarte mult față de rezultatele obținute în experimente. Pornind de la dimensiunile reale ale unui râu natural, afuierile calculate pe baza normativului PD95-2002 sunt supraevaluate. Modelarea numerică realizată pe baza programul HEC-RAS este cea care se apropie cel mai mult de valorile obtinute în experimente și în natură.

Capitolul 5. Concluzii, contribuții și perspective Fenomenul curgerii asociat cu afuierea locală produsă în jurul pilei podului este extrem de

complicată, fiind caracterizată de mișcarea turbulentă tridimensională. Natura complexă a curgerii i-a facut pe ingineri sa renunțe la aplicarea un model hidrodinamic pentru rezolvarea acestei probleme. De aceea metoda tipică de evaluare a adâncimii de afuiere constă în relații empirice determinate pe baza experimentelor din laborator.

Pe lângă costurile ridicate și timpul consumat, testele executate în laborator pe modele la scară redusă nu conduc la rezultate satisfăcătoare deoarece modelele la scară redusă nu pot satisface pe deplin legile similarității. Aceste modele nu pot satisface în același timp criteriul Reynolds și criteriul Froude. Extrapolarea rezultatelor experimentelor la situațiile reale trebuie să țină seama de efectele scalării. Astfel, cele mai multe modele fizice de evaluare a afuierilor sunt distorsionate. Pot să apară erori foarte mari dacă rezultatele pe modelele distorsionate sunt folosite la prezicerea comportării prototipului.

Contribuțiile personale privind analiza fenomenului de afuiere în jurul corpurilor profilate aflate într-un curent de apă pot fi sintetizate după cum urmează : Prezentarea unitară a modalităților de determinare a afuierilor maxime la pilele unui pod. Fiecare

metodă de evaluare a afuierilor, prezentată, este însoțită de studii de caz. Prezentarea sintetică a stadiului și a metodelor de evaluare a afuierilor în România, raportate la starea

cercetării acestui fenomen pe plan internațional. Evidențierea particularităților fiecărei metode de determinare a afuierilor maxime. Analiza evoluției afuierii în funcție de diametrul pilei, forma pilei, variația debitului de apa, unghiul de

atac, pentru o anumita granulație a patului albiei. Am realizat încercări de laborator în care am folosit două pile de formă circulară și una de formă lamelară pentru care am înregistrat evoluția, în timp, atât a adâncimii gropii de afuiere cât și evolutia în plan a acesteia, folosind aceeași granulometrie pentru particulele din patul canalului.


22

Prezentarea detaliată a evoluției afuierii și a patului albiei pentru fiecare studiu de caz. Analiza experimentală prin teste de laborator a producerii afuierilor locale la pilele de pod de forma

circulară și lamelară și dezvoltarea afuierilor în spatiul 3D în funcție de timp. De cele mai multe ori adâncimea gropii de afuiere este scopul principal pentru care se fac măsurători. În experimentele efectuate am urmărit și dezvoltarea în plan a gropii formate în jurul pilelor de pod, care este un alt factor ce influențează stabilitatea infrastructurilor, precum și modificarea patului albiei în amonte și aval de obstacol.

Analiza comparativă a afuierilor produse în albia naturală a unui râu cu afuierile obținute în laborator pe un model la scară redusă. Rezultatele afuierilor obținute în laborator pe modelul la scară redusă au fost foarte rar comparate cu cele măsurate în natură, după construcția podului pentru care s-a realizat modelul din laborator. Această comparație este foarte importantă pentru determinarea gradului de corectitudine a parametrilor și a ipotezelor ce au fost luate în considerare la realizarea similitudinii dintre model și natură.

Evaluarea afuierilor produse în jurul pilelor de pod cu ajutorul tehnologiei laser prin folosirea scanerului ScanStation2 pentru profilarea albiei. Un element de noutate în domeniu, adus prin această teză de doctorat, este folosirea tehnologiei bazată pe scanare laser pentru a obține forma tri-dimensionala a patului canalului. Rezultatele obținute în urma scanării le-am utilizat într-un program CAD, pentru extragerea informaţiilor topografice, pentru calculul volumelor si pentru măsurători de distanţe.

Prezentarea principalelor modalități de evaluare și previzionare, prin calcul, a afuierilor ce apar și se dezvoltă în jurul pilelor. De cele mai multe ori evaluarea numerică a afuierii se bazează pe măsurători efectuate în laborator. În literatura de specialitate există mai multe formule pentru calculul afuierilor, pentru acelasi tip de teren, si fiecare dintre ele conduc la rezultate diferite. Modelarea cu ajutorul elementelor finite pentru previzionarea afuierilor maxime ce se pot produce la infrastructurile unui pod reprezintă un plus pentru analiza fenomenului de afuiere. Dacă formulele de calcul au ca rezultat valoarea maximă a afuierii, programele ce se bazează pe elemente finite pot oferi mai multe informații despre dezvoltarea, în timp, a gropii formate în jurul obstacolelor precum și modificarea patului albiei din imediata vecinătate.

Prezentarea critica și sintetică a diferențelor dintre valorile afuierilor obținute prin măsurători experimentale și în natura, cu cele obținute prin modelare numerică. Efectuarea unor experimente în laborator și masurătorile din natură au permis evaluarea rezultatelor afuierilor obținute prin modelare numerică. Astfel, am putut concluziona, prin compararea rezultatelor, care sunt formule de calcul a afuierilor care dau rezultatele cele mai apropiate de cele măsurate.

Indiferent de formulele utilizate, calculele au numai caracter orientativ. În prezent, există

numeroase formule de calcul a afuierii, care conduc la rezultate diferite, pentru aceleași ipoteze de lucru. Au fost puține cazurile în care, pentru o pila de pod, să se urmărească în timp evoluția afuierilor iar acestea să fie confruntate cu rezultatele analitice și cu cele obținute prin modelarea la scară în laborator a situației reale din teren.

În lucrarea de față, rezultatele afuierilor obținute în cele patru situații (măsurători de laborator, măsurători laser, calcule numerice, măsurători în situ) au fost comparate între ele urmărindu-se două direcții principale: una a constat în validarea rezultatelor obținute în urma scanării laser prin procesarea datelor cu rezultatele obținute în experimente iar cea de-a doua direcție a constat în validarea rezultatelor obținute prin modelare matematică pe baza informațiilor furnizate de experimente și măsurători în natură.

În obținerea și compararea rezultatelor s-a ținut cont atât de posibilele erori de calcul cât și de imperfecțiunile și limitările induse de metodele diferite de evaluare a afuierilor.

Consider că prin lucrarea de față a fost atins scopul propus și anume perfecționarea metodelor de proiectare a unui pod din punct de vedere hidraulic.

Studiul se dorește a fi un punct de plecare, pentru ingineri, în alegerea modalităților de aproximare cât mai exactă a afuierilor maxime, fiind important, însă, a se țină cont de limitările impuse de fiecare metodă.

Rezultatele studiului experimental pot fi folosite pentru modelarea matematică de tip hidraulic a transportului aluvionar.

Urmărind procesul de evoluție în timp a afuierilor, pe baza transportului aluvionar, se poate realiza o modelare numerică cu elemente finite a evoluției morfologice a albiei.

Pornind de la cunoașterea evoluției în timp a afuierilor în jurul pilei unui pod se pot dezvolta sisteme noi de prevenire sau de limitare a afuierilor.

Aceste direcții reprezintă următorul pas spre cunoașterea acestui coplex fenomen al afuierii și sper că ele vor reprezenta bazele unor noi lucrări de cercetare în domeniul hidraulicii podurilor.


23

Bibliografie 1. Armfield - Sediment Transport Demonstration Channel - Technical Teaching Equipment, http://www.armfield.co.uk 2. Anton V., Popoviciu M., (1978) “Hidraulică și mașini hidraulice” , Editura Didactică și Pedagogică, București 3. Catano-Lopera, Y.A., Garcia, M.H., (2007). “Geometry of scour hole around, and the influence of the angle of attack on the burial of finite length cylinders under combined flows”. Ocean Engineering 34 (5,6), 856–869. 4. Chee, R. K. W. (1982). „Live-bed scour at bridge piers” Rep. No. 290, School of Engrg., University of Auckland, Auckland, New Zealand. 5. Chiew, Y. M. (1984). „Local scour at bridge piers” Rep. No. 355, Dept. of Civ. Engrg., University of Auckland, Auckland, New Zealand. 6. Cioc D., (1983) „Hidraulică”, Editura Didactică și Pedagogică, Bucurșțti 7. Dag Myrhaug, Muk Chen Ong, and other (2009), „Scour below pipelines and around vertical piles due to second-order random waves plus a current”, Ocean Engineering 36 (2009) 605-616 8. Dean, R.G., Dalrymple, R.A., (1984) “Water Wave Mechanics for Engineers and Scientists” Prentice-Hall, Inc., New Jersey, USA. 9. Du Boys M. P., (1879) ”Le Rhone et les Riviers a Lit affuillable”, Mem. Doc., Ann. Pont et Chausses, ser. 5, vol XVII 10. Einstein H. A., (1950) ”The Bed-Load Function for Sediment Transportation in open Channel Flows”, U.S. Dept. Agric. Soil Conserv. T.B. no. 1026 11. Ettema R., (1980), ”Scour at bridge piers” Rep. No. 216, School of Engrg., University of Auckland, Auckland, New Zealand. 12. Hancu S. (1980) “Dimensionarea hidraulica a podurilor” Editura Tehnica Bucuresti 13. Hydrologic Engineering Center, (2010) „HEC-RAS River Analysis System, User’s manual ver. 4.1”, U.S. Army Corps of Engineers, Davis, CA. 14. Hydrologic Engineering Center, (2008) „HEC-RAS River Analysis System, Applications Guide ver. 4.0”, U.S. Army Corps of Engineers, Davis, CA. 15. Hydrologic Engineering Center, (2008) „HEC-RAS River Analysis System, Hydraulic Reference Manual, ver. 4.0”, U.S. Army Corps of Engineers, Davis, CA. 16. Iamandi C., (1963) ”Studii și cercetări de mecanică aplicată”, Acad. R.P.R., nr. 1 17. Iamandi C., Petrescu V., Anton A., (1994) “Hidraulica instalațiilor Vol 1”, Ed. Tehnică, București 18. Institutul de Studii și Cercetări Hidrotehnice, (1964) ”Studii de hidraulică VII (Calculul hidraulic al podurilor)”, Intreprinderea poligrafică Grafica Nouă, București 19. Johnson, P. A., and McCuen, R. H. (1991). ‘‘A temporal spatial pier scour model.’’ Transp. Res. Rec. 1319, Transportation Research Board, Washington, D.C., 143–149. 20. Laursen, E. M. (1963). ‘‘Analysis of relief bridge scour.’’ J. Hydr. Div., ASCE, 89(3), 93–118. 21. Leica Geosystems, ScanStation2, Valabil la adresa: http://hds.leica-geosystems.com/en/Leica-ScanStation-2_62189.htm 22. Luca O., (2002) “ Hidraulia “, Editura Orizonturi Universitare, Timișoara 23. Luca O., Tatu G., Petrescu V., (1998) “Hidrodinamica cursurilor de apă” , UTCB 24. Mateescu C., (1963) „Hidraulica construcțiilor”, Vol I, Editura Didactica și Pedagogica, Bucuresti 25. PD 95-2002 “Normativ privind proiectarea hidraulica a podurilor și podetelor” 26. Ming Zhao, Liang Cheng, Zhipeng Zang (2010), “Experimental and numerical investigation of local scour around a submerged vertical circular cylinder in steady currents”, Costal Engineering 57, 709-721 27. Myrhaug, D., Rue, H., (2003). “Scour below pipelines and around vertical piles in random waves”. Coastal Engineering 48 (4), 227–242. 28. Qiping Yang (2005) “Numerical investigations of scale effects on local scour around a bridge pier” Electronic Theses, Treatises and dissertations. Paper 1094 29. Sumer B.M., Fredsoe J., (2002) „The Mechanics of Scour in the Marine Environment ” World Scientific, Singapore 30. Tran Dinh Nghien (2011) “Curent research on local scour at bridge pier in Viet Nam” University of Transport and Communication Viet Nam. 2011. Valabil la adresa: http://www.scj.go.jp/en/sca/activities/conferences/conf_5_programs/pdf/5thhydrolgynghien.pdf. 31. White Frank M., (1999) “Fluid mechanics - fourth edition”, McGraw-Hill International Editions

Craciun C. Eduard-George - Rezumat

Documents

Transcript of Craciun C. Eduard-George - Rezumat