Patoaukkojen mitoitus. Insinööritoimisto Pekka Leiviskä Pekka Leiviskä

Transkriptio

1 Patoaukkojen mitoitus Insinööritoimisto Pekka Leiviskä Pekka Leiviskä

2 Patoaukkojen mitoituksen lähtökohdat Mitoitustulvan määritys (Patoturvallisuusopas Liite 10 Hydrologinen tausta Patoaukkojen mitoitus patojen luokan mukaisesti Patoturvallisuusasetus 319/ Vesistöpatojen hydrologinen mitoitus Vesistöpadon mitoitustulvana käytetään tulvaa, joka esiintyy: 1) 1-luokan padolla 0,02 0,01 prosentin todennäköisyydellä eli keskimäärin kerran vuodessa; 2) 2-luokan padolla 0,2 0,1 prosentin todennäköisyydellä eli keskimäärin kerran vuodessa; 3) 3-luokan padolla 1 0,2 prosentin todennäköisyydellä eli keskimäärin kerran vuodessa. Pekka Leiviskä

3 Lähtökohtana turvallisuus Vesistöpato mitoitetaan siten, että mitoitustulvan aikana padotusaltaan vedenkorkeus ei ylitä padon turvallista vedenkorkeutta, kun padon juoksutuskapasiteetti ilman voimalaitoksen koneistovirtaamia on käytössä. Pekka Leiviskä

4 3 Muun padon hydrologinen mitoitus Vesistöpadon hydrologista mitoitusta käytetään soveltuvin osin myös muiden patojen hydrologiseen mitoitukseen. Tulvapenkereen hydrologinen mitoitus tehdään tulvasuojelun tarpeen mukaan. Pekka Leiviskä

5 Patoaukkojen sijoitus Sijainti varsinaisessa patorakenteessa Jommallakummalla tai molemmin puolin varsinaista patoa Täysin erillinen sijainti (esim. ylivirtauskynnys lähialueen karkeaa materiaalia sisältävän maakannaksen kohdalla Pekka Leiviskä

6 Patoaukkotyyppejä Patoaukkojen tehtävänä on mahdollistaa hallittu juoksutus mitoitusvirtaaman lisäksi myös muissa tarvittavissa tilanteissa Erilaiset luukkurakenteet Ylivirtauskynnykset Putki/lapporakenteet yms. Pekka Leiviskä

7 Segmenttiluukku Yleisin suurilla vesimäärillä käytetty luukkutyyppi on segmenttiluukku Osat:luukun runkorakenne, peililevy, sivuohjauspyörät ja tiivisteet Luukun aisat ja tukilaakerit Nostolaitteet Perhonjoki, Kaitfors säännöstelypato I Pekka Leiviskä

8 Sektoriluukku Sektoriluukku on rakenteeltaan kuten segmenttiluukku, mutta aukeaa alaspäin ja vesi menee luukun ylitse Käytetty tyypillisesti voimalaitoksissa jäiden juoksuttamisen varmistamiseksi Pekka Leiviskä Sektoriluukku, Imatran voimalaitos

9 Tasoluukku Käytetään yleensä pienemmillä vesimäärillä Luukun pääosat: luukun runkorakenne, kantopyörät ja tiivisteet sekä nostolaitteet Luukut varustetaan korvakkeilla, joista luukkua voidaan nostaa tarvittaessa esim. taljojen avulla Tasoluukku, Ähtävänjoki Hattarin voimalaitos Pekka Leiviskä Kuortaneenjärven säännöstelypato Uljua, tasoluukun nostokorvakkeet

10 Settipato ja neulapato Säädetään puuseteillä tai neuloilla, ei kovin käteviä virtaaman säätöön Kaitfors, säännöstelypadon neulat Alajärven säännöstelypato, Pekka Leiviskä

11 Läppäluukku Säädettävä läppä, jolla virtaamaa voidaan säädellä Pekka Leiviskä Poutun pohjapato Lapuanjoki

12 Puuluukut Vanhoissa matalissa padoissa on lukuisa määrä puuluukkuja, joiden leveys on yleensä luokkaa 1,0 1,5 m. Pieliteräksinä I-palkki Nosto tapahtuu liikuteltavalla mekaanisella tai hydraulisella nostolaitteella yksi luukku kerrallaan Pekka Leiviskä

13 Lapporakenne Ylisyöksypato + ilman pitävä putki Putki alkaa ylävedestä padon harjaa alempaa ja ulottuu alas alaveteen Yläveden pinnan kohotessa ylisyöksyn harjaa alemmaksi lappo alkaa toimia Alapäässä sisällä harjanne, joka imee ilman pois putkesta virtaavan veden mukana Lappo voidaan pysäyttää päästämällä ilmaa lakipisteestä lappoputkeen Pekka Leiviskä RIL 141

14 Ylivirtauskynnys Ennalta suunniteltu rakenne (aukko padossa) jonka ylitse vesi alkaa virrata esim. ylitettyään HW korkeuden Joissain padoissa myös toteutuksia, joissa on ennalta suunniteltu/suojattu ylivirtauskynnys. Rakenne on suojattu maamateriaalilla ja siitä joudutaan poistamaan kaivinkoneella maata riittävän aukkokoon aikaansaamiseksi. Rakenne suojattu esim. ponttiseinin, betonikynnyksin yms. luiskasuojauksin kestääkseen myös alapuolelta juoksutusveden aiheuttamaa eroosiota. Pekka Leiviskä

15 Nostolaitteet Mekaaniset nostolaitteet, jotka koostuu sähkömoottorista, vaihteistosta ja siihen kytketystä hammas tai taittopyörästä. Se välittää nostovoiman luukkuun kiinnitettyyn ketjuun, tappitankoon tai vaijeriin Pienemmät luukut varustetaan yleensä käsikäyttöisin varanostolaittein Isommilla luukuilla kuten segmenttiluukuilla on hydraulinen nostokoneisto. Se koostuu hydrauliikkakoneistosta ja nostosylintereistä, jotka on kiinnitetty joko suoraan tai ketjun välityksellä luukun runkoon Pekka Leiviskä

16 Kynnyksen mitoitus Tulva-aukkojen kynnykset on suunniteltava muodoltaan sellaiseksi, ettei virtaus missään olosuhteissa irtoa kynnyksestä. Pekka Leiviskä

17 Tyypillinen ylivirtauksen mitoituksessa käytettävä laskentayhtälö Weisbachin patokaava (RIL 141) Pekka Leiviskä

18 Polenin kaava Paikoissa, joissa veden virtausnopeus padon yläpuolella on pieni, Polenin kaava (RIL 141) Pekka Leiviskä

19 Alaveden vaikutus esim. korjauskertoimella Vaikutus korjauskertoimella x (RIL 141) Pekka Leiviskä

20 Alaveden vaikutus Dubuatin kaavalla Korjauskertoimen sijasta huomioidaan alavedenkorkeus h2 (RIL 141) Pekka Leiviskä

21 Teräväreunaisen padon alaveden vaikutus Teräväreunaisissa, suorakaiteen tai kolmion muotoisissa aukoissa alavesi pienentää purkautuvaa vesimäärää alhaisemmilla korkeuksilla kuin pyöristetyissä mittapadoissa. Alaveden on oltava alempana kuin V-aukon kärki, jottei alavesi vaikuttaisi mittaustuloksiin. Pekka Leiviskä

22 Kynnyksen muodon vaikutus purkautumiskertoimeen Pekka Leiviskä

23 Ei kynnystä lainkaan Jos patoaukossa ei ole kynnystä lainkaan, purkautumiskerroin jää edullisissakin olosuhteissa pienemmäksi kuin 0,55 Tavallisesti ei voida käyttää suurempaa arvoa kuin 0,50. Pekka Leiviskä

24 Leveäharjainen pohjapato Padon harjaa on pidettävä hyvin leveänä, jos padon leveys virtaussuunnassa on 0,5 3 h ja suihku asettuu vaakasuoran harjan päälle Jos harjan leveys on suurempi kuin 3 h, patokohtaa on käsiteltävä lyhyenä avouoman osana. Virtaama lasketaan Bernoullin yhtälöllä ja harjan kitka otetaan huomioon. Pekka Leiviskä

25 Laajennettu Bernoullin yhtälö Avouomavirtauksen määrittämiseen Laajennus häviötermillä hf Pekka Leiviskä

26 Reunapato On avouomassa oleva ylisyöksypato, jonka harja on uoman seinän ja pohjan suuntainen Vesi virtaa padossa harjan suuntaisesti Jos veden pinta on korkeammalla kuin padon harja eikä virtausnopeus ole kovin suuri, osa vedestä purkautuu aukosta sivusuuntaan Purkautuva vesimäärä on arvioitavissa vain likimääräisesti Purkautumiskerroin arvioidaan yleensä 5 10% pienemmäksi kuin kohtisuorassa padossa. Pekka Leiviskä

27 Kynnys veden purkautuessa vain osittain Ylöspäin avattavilla luukuilla varustettujen tulva-aukkojen kynnysten mitoituksessa on otettava huomioon myös tilanne, jolloin vesi purkautuu vain osittain avatun luukun alitse. Pekka Leiviskä

28 Alaveden vaikutus padon purkautumiseen Alavesi vaikuttaa pohja-aukon purkautumiskykyyn vain silloin kun aukon kohdalla ei pääse syntymään kiitovirtausta Ylisyöksypadossa alavesi alkaa tyypillisesti vaikuttaa kun alaveden korkeus padon harjasta alkaa ylittämään 2/3 ylävedenkorkeuden Pekka Leiviskä

29 Onko alaveden korkeus aina vakio samansuuruisella virtaamalla? Kasvillisuuden muutokset (vuodenaikaisvaihtelut) Jäätilanteen vaikutus Hyyde Vedenkorkeuden nousu alapuolella jonkin muun tulvajuoksutuksen seurauksena Pekka Leiviskä

30 Luukkujen avauksen varmistaminen myös poikkeustilanteissa Automaatti/käsisäädön toimivuus Automaatiota ohjaavan vedenkorkeusmittauksen toimivuuden varmistaminen Kuljettavuus padolle poikkeuksellisella tulvalla (esim. käsisäätöjen suorittamiseksi) Nostomekanismeihin/luukun pieliin/luukkuun kertyvät jäät (lämmitystarve) Pekka Leiviskä

31 Vesikynnys Erittäin tärkeä ymmärtää vesikynnyksen merkitys veden energian vaimentajana Voidaan hyödyntää mm. alapuolisen uoman eroosiosuojauksen suunnittelussa Mitä tarkoittaa ja miltä näyttää? Pekka Leiviskä

32 Frouden luku Fr Suorakaiteen muotoiselle uomalle (RIL ) Pekka Leiviskä

33 Frouden luku Fr Froden luvulla voidaan määritellä onko virtaus verkas, kriittistä vai kiitovirtausta Fr < 1 verkasvirtaus Fr = 1 Kriittinen virtaus Fr > 1 Kiitovirtaus Pekka Leiviskä

34 Vaimennusallas Huonossa kalliossa ja maassa ei yleensä riitä pelkkä pohjan suojaaminen, vaan veden liike-energiaa on vähennettävä erikoisilla vaimennusaltailla riittävän rauhallisen virtauksen aikaansaamiseksi padon alapuolelle. Pekka Leiviskä

35 Vaimennusaltaan mitoitus Vaimennusaltaan alustava mitoitus voidaan suorittaa oheisen kuvan mukaisilla kaavoilla ja nomogrammilla. Vaimennusaltaasta jatkuvan uoman veden syvyys valitaan siten, että virtausnopeus ei ylitä perusmaalle tai mahdolliselle verhoukselle sallittua nopeutta. Tulva-aukon hydraulinen mitoitus ja lopullinen muoto on kuitenkin aina syytä tarkistaa pienoismallikokein! Pekka Leiviskä

36 Veden virtauksen lisävaimennus Suunnitellaan vaimenninkynnykset virtaavan veden energian pienentämiseksi Toimivuus yleensä varmennetaan vielä pienoismallikokein Pekka Leiviskä

37 Koneisto Ylikuormituksen estolaitteet Vinoon menon esto Ketjujen toiminta Voitelulaitteet Koekäyttö Pekka Leiviskä

38 Sähkölaitteet Noudatettava sähköturvallisuusmääräyksiä Rajakatkaisijat Lämmitys Luukun asentotieto Varoituslaitteet Pekka Leiviskä

39 Vedenpinnan mittaus Kaukokäytössä olevissa padoissa ja niissä padoissa, joissa vedenpinnan muutokset voivat olla nopeita, padotun alueen seuraamiseksi tulee järjestää varmatoiminen, tarvittaessa kahdennettu, kaikissa sääolosuhteissa toimiva mittausjärjestelmä. Mittaustieto tulee mahdollisesta automatisoinnista huolimatta johtaa paikkaan, josta tarvittaessa luukkujen käyttö on mahdollista Järjestelmä tulee varustaa asianmukaisella hälytyksellä Pekka Leiviskä

40 Varanostojärjestelmä Luukulla tulee olla käytettävissä varsinaisen nostojärjestelmän lisäksi varanostojärjestelmä, jonka nostoajan on oltava riittävän lyhyt padon pelivara-aikaan nähden. Pelivara-aika voi olla esim. vedenpinnan nousu HW:stä hätä-hw:hen Varanostojärjestelmän tulee olla sellainen että luukku tulipalon sähkökatkon tms. sattuessa saadaan aukaistua. Jos varanostojärjestelmä on sähköinen, sen kaapeloinnin ja virtalähteen tulee erillään varsinaisen varanostojärjestelmän kaapeloinnista ja virtalähteestä. Varanostojärjestelmä voi olla myös erillinen, luukun järjestelmiin helposti kytkettävä polttomoottorikäyttöinen sähkö- tai hydrauliagrikaatti. Varanostojärjestelmänä voidaan käyttää myös auto tms. nosturia, jos se on kaikissa tilanteissa riittävän lyhyen ajan sisällä saatavissa käyttöön. Pekka Leiviskä

41 Käyttö- ja huolto-ohjeet Luukulle on laadittava käyttö- ja huolto-ohjeet, jotka on säilytettävä asianmukaisesti. Pekka Leiviskä

42 Mitoitustulvan valinnan vaikutus padon rakentamiskustannuksiin Tulisiko mitoitustulvassa ottaa huomioon ilmastonmuutoksen vaikutukset? Jos kyllä niin silloin: Koska padot on työpatoja lukuun ottamatta suunniteltu varsin pitkäikäisiksi, ei olisi perusteltua mitoittaa niitä kovin pienten toistuvuusaikojen mukaan. Patojen suunnittelua keventää se että mitoitustulvan muutos suhteellisesti pienenee toistuvuuden kasvaessa. Valittaessa mitoitustulvaksi kerran 1000 vuodessa esiintyvä tulva on mitoitusvirtaamaa vain noin 30% suurempi kuin valittaessa mitoitustulvaksi kerran 100 vuodessa toistuva tulva. Padon rakentamiskustannukset eivät siten yleensä lisäänny kovin voimakkaasti, kun mitoitustulvan toistumisaikaa pidennetään. Pekka Leiviskä

43 Padon purkautumisen varmistaminen kalibrointimittauksin Luukulle valittu purkautumisyhtälö ja sille purkautumiskerroin Alaveden korkeuden käyttäytyminen eri virtaamilla (esim. purkautumiskäyrän laatiminen padon alavedenkorkeudelle) Alaveden huomioiminen luukusta purkautuvasta virtaamasta (mikäli ei kyseessä kiitovirtaus, jolloin alavesi ei vaikuta) Pekka Leiviskä

44 Säännöstelyrakenteiden kestävyys hätäjuoksutuksille Padon aukkojen mitoituksen lisäksi huomioitava alapuolen kestävyys mitoitusvirtaamalle Esimerkkinä vauriot Orovillen padossa Pekka Leiviskä