1 Temat: Ocena wybranych metod pomiaru parametrów rumowiska wleczonego wykonał: inż. Grzegorz Zawadzki
2 Wstęp Materiał transportowany w rzekach górskich charakteryzuje warunki stabilności dna. Szczególnie w rzekach górskich, w których szorstkość dna jest proporcjonalnie duża w stosunku do napełnień jakie występują w korycie. Charakterystyka materiału wleczonego jest bardzo ważnym elementem oceny badanego odcinka rzeki. W związku z tym pojawiło się wiele metod pomiarów składu uziarnienia. Najbardziej rozpowszechniona jest metoda przesiewu rumowiska, jednak jest ona pracochłonna i nie zawsze możliwa do wykonania na miejscu w terenie, dodatkową wadą tej metody jest pomiar tylko jednego wymiaru mierzonych ziaren co uniemożliwia pełną charakterystykę ruchu rumowiska. W pracy przedstawiono wybrane metody pomiaru alternatywne.
3 Istnieją trzy typy rumowiska rzecznego, które wyodrębnia się, biorąc pod uwagę pochodzenie oraz sposób przemieszczania się w rzekach i potokach: Rumowisko wleczone (Fot.1) – ziarna przemieszczają się wzdłuż dna cieku poprzez: toczenia, przesuwanie, skoki (saltacja), Rumowisko unoszone – cząstki są utrzymywane w zawieszeniu przez turbulentny ruch wody, Rumowisko zawieszone – najdrobniejsze cząstki rumowiska Fot.1. A. Strużyński
4 Pomiary granulometryczne przeprowadzono za pomocą metod: podstawowej: - przesiew mechaniczny rumowiska, alternatywnych: - pomiary wymiarów poszczególnych ziaren abc, - metoda fotograficzna (pomiary ziaren ze zdjęć), - pomiary szorstkości dna (AG-2). Metodyka
5 z jednego stanowiska pomiarowego pobieramy minimum trzy próby rumowiska, odcinki pomiarowe oddalone maksymalnie co 1 km, Pobieramy minimum 100 kg – rumowiska gruboziarnistego (żwiry, pospółki), Pobieramy minimum 10 kg – rumowiska drobnoziarnistego (piaski, pyły) (wg Ratomskiego) Przesiew mechaniczny rumowiska (metoda sitowa) Metoda według Ratomskiego Fot. 2. A. Strużyński
6 Pobór materiału do metody sitowej jest metodą inwazyjną, powodującą zachwianie struktury rumowiska tworzącego dno koryta rzecznego. Gromadzony materiał nie stanowi informacji o stabilności dna, ponieważ pobór mechaniczny za pomocą łopaty lub innych pobieraków wprowadza dużą przypadkowość podczas poboru prób. Z tego powodu tradycyjna metoda sitowa nie daje pełnej informacji o stabilności pokrywy. Do poboru rumowiska o strukturze nienaruszonej służy między innymi metoda zamrażania próby. W skutek wykonywania takiego pomiaru tą metodą otrzymujemy kilka krzywych przesiewu, które określają zmienność uziarnienia w poszczególnych warstwach dna, które pozwalają na określenie grubości warstwy aktywnej i między innymi prognozy zmian krzywej przesiewu po zerwaniu obrukowania. Przesiew mechaniczny rumowiska (metoda sitowa)
7 Metoda zamrażania próby – pobór próby o nienaruszonej strukturze Metoda ta polega na wprowadzeniu ciekłego azotu w miedzianą rurkę włożoną wcześniej w dno rzeki, po około 15 minutach zamarznięta próbka zostaje wyciągnięta za pomocą podnośnika i ułożona na specjalnej skrzynce aż do rozmrożenia.
8 Powyższe dwie metody bazują na określeniu wymiaru średniego (ziarna przesiewane przez sito ustawiają się tak, że na sicie mierzony jest wymiar średni). W wyniku procesów koryto-twórczych charakterystycznych dla rzek górskich, ziarna są już na tyle duże w stosunku do napełnienia, że pominiecie ich kształtu może spowodować duże błędy w określeniu początku ruchu i transportu rumowiska wleczonego. Uwzględnienie kształtu ziaren pozwala na określenie procesów takich jak: ukrycie drobnych frakcji, klinowanie ziaren, sortowanie materiału wleczonego. W skutek wykonania pomiarów tą metodą możliwa jest parametryzacja kształtu ziaren za pomocą odpowiednich współczynników. Po wprowadzeniu pojęcia masy umownej ziaren możliwe jest również wykreślenie krzywej granulometrycznej. Pomiary wymiarów poszczególnych ziaren abc
9 Metoda bazuje na pomiarze bezpośrednim wszystkich 3 wymiarów ziarna, wymiar a (największy), b (średni) i c (najmniejszy). Wykonywano pomiar losowo wybranych około 300 ziaren z pokrywy. Każde ziarno zostało zmierzone za pomocą suwmiarki w przypadku dużych wymiarów za pomocą linijki. Starano się aby zostały zmierzone wszystkie ziarna z powierzchni około 0.5x0.5m. Ziarna zostały wybierane losowo bez względu na ich wielkość. Dalsza obróbka danych wykonana została w warunkach kameralnych Pomiary wymiarów poszczególnych ziaren abc
10 Rozwój technik komputerowych pozwala na automatyzację procesu obróbki zdjęć. Istnieją już ośrodki, które maja opracowane metody automatycznego wykreślenia krzywej przesiewu z fotografii. Ponieważ metoda ta jest bardzo obiecująca podejmowane są w Katedrze Inżynierii Wodnej i Geotechniki próby jej zastosowania w korytach z dnem szorstkim. Metoda fotograficzna pozwala na pomiar dwóch wymiarów ziaren. Można przyjąć, że w większości przypadków są to wymiary a i b, ze względu na zjawisko różnego ułożenia ziaren bardziej niepewny jest określenie wymiaru „a” (największego), natomiast wymiar średni widoczny jest dość dokładnie. Z tego powodu metoda fotograficzna w każdej lokalizacji powinna zostać poddana procesowi kalibracji. W pracy zostanie zastosowana kalibracja za pomocą pomiaru 3 wymiarów ziaren. Metoda fotograficzna (pomiary ziaren ze zdjęć)
11 Metoda fotograficzna została wykonana w pierwszej kolejności ponieważ jest metodą nieinwazyjną. Pomiary wykonywano aparatem fotograficznym z obiektywem o długości ogniskowej 50 mm (odpowiednik ogniskowej dla formatu negatywu małoobrazkowego). Pomiar był wykonywany z wysokości około 1.50 m, zastosowanie tej ogniskowej z tej wysokości było kompromisem pomiędzy problemem ergonomii wykonania zdjęć i zniekształceniami kształtu zmniejszającymi się w funkcji zwiększania ogniskowej Metoda fotograficzna (pomiary ziaren ze zdjęć) Fot. 3. A. Strużyński
12 Zaprezentowane powyżej metody poprzez możliwość określenia krzywych charakterystycznych nadają się dzięki zastosowaniu równań empirycznych do obliczenia szorstkości dna, w ciekach o dnie szorstkim przyjmuje się, że szorstkość Nikuradzego (ks) może być opisana np. jako 3,5 d 90. Obliczenia te są sztywne i nie uwzględniają aktualnych procesów występujących w dnie koryta rzecznego w związku z tym zaproponowana została metoda bezpośredniego pomiaru szorstkości dna. Od połowy lat 90-tych jest ona z powodzeniem stosowana w KiW(obecnie KiWiG). Pomiary za pomocą profilomierza AG-2 pozwalają na określenie tzw. miary szorstkości dna będącej odchyleniem standardowym wysokości położenia ziaren. Dla koryt z dnem żwirowym i kamienistym zastosowano odstępy pomiędzy sądami pomiarowymi równe 2 cm. Zmiany szorstkości dna powodują zmianę oporów ruchu wody w zależności wprost proporcjonalnej. Wykonanie pomiaru szorstkości dna ta metodą nie powoduje zmian ułożenia ziaren, czyli jest metodą nieinwazyjną.
13 W Katedrze Inżynierii Wodnej Akademii Rolniczej w Krakowie wykonany został profilomierz o nazwie AG-1 [Bartnik 1998]. Przy jego pomocy wykonano szereg pomiarów szorstkości dna na potokach Podkarpacia [Florek, Strużyński 1999]. Pomiary wykonywane są w systemie liniowym (podłużnym lub poprzecznym). W jednej lokalizacji należy wykonać kilka odciśnięć. Rys.1. Profilomierz AG-1 – widok z przodu Pomiary szorstkości dna (AG-2)
14 Obróbka danych granulometrycznych wykonywanych za pomocą różnych metod i porównanie wyników z metodą przesiewu rumowiska. Określenie możliwości stosowania metod alternatywnych jako samodzielnych metod pomiaru uziarnienia w rzekach z dnem żwirowym. Cel pracy
15 Metoda sitowa jest pracochłonna i wymaga często wysuszenia prób. Informacje tylko o wielkości ziaren (tylko wymiar b). można wykonać: krzywa granulometryczna, średnice charakterystyczne Metoda pomiarów abc możliwa jest do wykonania in situ i nie wymaga suszenia prób. wada: brakuje najdrobniejszych frakcji. można wykonać: krzywa granulometryczna, średnice charakterystyczne, pełna charakterystyka kształtów ziaren Metoda fotograficzna: możliwe pomiary wymiarów a i b. szybkość wykonania w terenie Wady: fotografia ziaren przechylonych, pracochłonna obróbka kameralna można wykonać: krzywa granulometryczna, średnice charakterystyczne, częściowa charakterystyka kształtów ziaren. Metoda określenia szorstkości dna: próba określenia krzywej lub wielkości uziarnienia utrzymującego pokrywę (np d90) obliczenia za pomocą równań empirycznych. można wykonać: określenie wysokości szorstkości dna i jej wpływu na parametry ruchu wody → możliwa, analiza w połączeniu z innymi metodami, stabilności dna Uzasadnienie podjęcia pracy
16 Obszar badań Badania zostały przeprowadzone na 5 rzekach południowej Polski: -Białka -Biały Dunajec -Czarny Dunajec -Wisłoka -Porębianka W wybranych miejscach na wymienionych powyżej rzekach zostały przeprowadzone pomiary rumowiska wleczonego metodami: - sitową, - pomiarów abc, - fotograficzną -AG-2
17 Na podstawie uzyskanych wyników pomiaru rumowiska zostały wykreślone krzywe granulometryczne oraz możliwe jest obliczenie następujących parametrów: średnica miarodajna – d m, średnice charakterystyczne – d 10,d 16,d 50,d 84,d 90, stosunki odpowiednich średnic – b/a, c/b, współczynnik kształtu – S p, współczynnik sferyczności – ψ p, współczynnik płaskości – k p, stopień wysortowania według Hazena – u, wskaźnik różnoziarnistości - ε, wskaźnik jednostajności – C d, odchylenie standardowe krzywej uziarnienia – σ
18 Metoda przesiewu mechanicznego rumowiska średnicawaga[kg]procent zawartości 822,263,6 6617,2 4514,3 31,13,2 20,61,7 sum34,9100 Tabela. 1. Wartości uzyskane po przesianiu ziaren przez sita
19 Metoda przesiewu mechanicznego rumowiska d10 = 3,2 [cm] d16 = 3,8 [cm] d50 = 6,7 [cm] d84 = 7,6 [cm] d90 = 7,8[cm] dm = 6,8 [cm] σ = 1,4
20 d10 = 2,7 [cm] d16 = 3,4 [cm] d50 = 6,8 [cm] d84 = 10,4 [cm] d90 = 10,9[cm] dm = 7,6 [cm] σ = 1,75 Pomiary wymiarów poszczególnych ziaren abc
21 Tabela 2. Parametry charakteryzujące ziarna Lp masa ziarna [g] średnica poszczególnych ziarn [cm] b/ac/b współczynnik sferyczności [Ψ p ] współczynnik płaskości [kp] współczynnik kształtu (Sp) abc 11848151111,20,731,020,741,160,87 22016,76815,610,112,80,651,270,731,001,02 3298,4512,79,42,50,740,270,384,420,23 4605,26813,810,24,30,740,420,482,790,36 5426,01810,15,77,40,561,300,641,070,98 6434,710,594,60,860,510,612,120,47 7594,8648,17,210,20,891,421,060,751,34 8301,9211,18,53,20,770,380,473,060,33 92556,66619,712,610,30,640,820,581,570,65 101324,00814,814,26,30,960,440,642,300,43 11231,6252,58,510,93,401,283,850,502,36 121043,7159,87,10,650,720,561,750,59 13572,7712,78,25,50,650,670,531,900,54 14429,97510,59,14,50,870,490,612,180,46 15169,654,56,55,81,440,891,360,951,07
22 Tabela 3. Parametry charakteryzujące ziarna c.d. Lp masa ziarna [g] średnica poszczególnych ziarn [cm] b/ac/b współczynnik sferyczności [Ψ p ] współczynnik płaskości [kp] współczynnik kształtu (Sp) abc 16312,73211,97,33,60,610,490,432,670,39 17249,98412,66,43,10,510,480,353,060,35 18433,0086,27,29,71,161,35 0,691,45 1985,76711,33,32,30,290,700,243,170,38 2091,5426,67,31,91,110,260,563,660,27 2181,0088,36,11,60,730,260,384,500,22 22148,0168,85,82,90,660,500,472,520,41 23150,4885,73,30,710,580,542,080,49 24237,6329,43,27,90,342,470,530,801,44 25190,6329,45,23,90,550,750,481,870,56 26111,8727,66,42,30,840,360,503,040,33 27119,1687,65,62,80,740,500,522,360,43 28133,927,263,10,830,520,602,130,47 29286,4167,87,25,10,920,710,781,470,68 30198,4327,25,35,20,740,980,731,200,84
23 Wykreślenie krzywej przesiewu na podstawie jedynie pomiarów wykonywanych za pomocą metody fotograficznej zostanie wykalibrowane w następnym kroku interpretacji danych. Jeżeli metoda ta da wyniki niezadowalające następnym krokiem będzie interpretacja pomiarów 20 największych ziaren z próby za pomocą metody abc. Metoda fotograficzna (pomiary ziaren ze zdjęć)
24 Metoda określenia szorstkości dna (Ag-2) Fot. 5. A Strużyński
25 Lp.KSfks 13,8431670,6819,50308 23,0477120,6815,46636 32,6897640,6813,64986 43,0030410,6815,23966 53,0236040,6815,34401 63,1069450,6815,76695 Metoda określenia szorstkości dna (Ag-2) Tabela 4. Wielkości obliczone na podstawie pomiarów szorstkości dna
26 Podsumowanie metodyczne Metoda przesiewowa jest w pracy uznana jako bazowa do kalibracji krzywych przesiewu wykreślonych za pomocą pozostałych metod. Zarówno podczas stosowania metody fotograficznej jak i metody pomiaru szorstkości dna należy jako metodę uzupełaniającą zastosować metodę pomiarów abc. Z wyjątkiem metody fotograficznej i metody pomiaru szorstkości dna pozostałe przedstawione metody są metodami inwazyjnymi. Metoda abc pozwala na uzyskanie pełnej informacji o kształtach ziaren, według autora pracy możliwe jest również zastosowanie metody abc do wykreślenia krzywej granulometrycznej Problem przy zastosowaniu metody abc jest dokładne określenie zawartości najdrobniejszych frakcji z tego powodu rozważana jest możliwość wprowadzenia metody kombinowanej w której frakcje te będą ważone.
27 Bibliografia 1.A. Strużyński, 2001, Ocena warunków równowagi dna w korytach cieków o dużej szorstkości. Rozprawa doktorska, AR Kraków 2.Bartnik W., Michalik A., Strużyński A., Książek L. 1997 - Zmiany parametrów przepływu i ruchu rumowiska dennego w potoku Tenczyńskim po przejściu fali powodziowej, XVII Ogólnopolska Szkoła Hydrauliki, Współczesne problemy hydrauliki wód śródlądowych, Gdańsk-Sobieszewo, 59-64 3.W. Bartnik, A. Strużyński, 2002, Velocity profile and shear stresses calculation in high volume relative bed roughness flow, Zesz Nauk. AR we Wrocławiu, ser. Konferencje XXXVI, nr 438, 109-116
28 Dziękuję za uwagę