Patoaukkojen mitoitus Insinööritoimisto Pekka Leiviskä 13.10.2017 Pekka Leiviskä
Patoaukkojen mitoituksen lähtökohdat Mitoitustulvan määritys (Patoturvallisuusopas Liite 10 Hydrologinen tausta Patoaukkojen mitoitus patojen luokan mukaisesti Patoturvallisuusasetus 319/2010 2 Vesistöpatojen hydrologinen mitoitus Vesistöpadon mitoitustulvana käytetään tulvaa, joka esiintyy: 1) 1-luokan padolla 0,02 0,01 prosentin todennäköisyydellä eli keskimäärin kerran 5 000 10 000 vuodessa; 2) 2-luokan padolla 0,2 0,1 prosentin todennäköisyydellä eli keskimäärin kerran 500 1 000 vuodessa; 3) 3-luokan padolla 1 0,2 prosentin todennäköisyydellä eli keskimäärin kerran 100 500 vuodessa. Pekka Leiviskä 13.10.2017 2
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 13.10.2017 3
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 13.10.2017 4
Patoaukkojen sijoitus Sijainti varsinaisessa patorakenteessa Jommallakummalla tai molemmin puolin varsinaista patoa Täysin erillinen sijainti (esim. ylivirtauskynnys lähialueen karkeaa materiaalia sisältävän maakannaksen kohdalla Pekka Leiviskä 13.10.2017 5
Patoaukkotyyppejä Patoaukkojen tehtävänä on mahdollistaa hallittu juoksutus mitoitusvirtaaman lisäksi myös muissa tarvittavissa tilanteissa Erilaiset luukkurakenteet Ylivirtauskynnykset Putki/lapporakenteet yms. Pekka Leiviskä 13.10.2017 6
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 13.10.2017 7
Sektoriluukku Sektoriluukku on rakenteeltaan kuten segmenttiluukku, mutta aukeaa alaspäin ja vesi menee luukun ylitse Käytetty tyypillisesti voimalaitoksissa jäiden juoksuttamisen varmistamiseksi Pekka Leiviskä 13.10.2017 8 Sektoriluukku, Imatran voimalaitos
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 13.10.2017 9 Kuortaneenjärven säännöstelypato Uljua, tasoluukun nostokorvakkeet
Settipato ja neulapato Säädetään puuseteillä tai neuloilla, ei kovin käteviä virtaaman säätöön Kaitfors, säännöstelypadon neulat Alajärven säännöstelypato, Pekka Leiviskä 13.10.2017 10
Läppäluukku Säädettävä läppä, jolla virtaamaa voidaan säädellä Pekka Leiviskä 13.10.2017 11 Poutun pohjapato Lapuanjoki
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 13.10.2017 12
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 13.10.2017 13 RIL 141
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 13.10.2017 14
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 13.10.2017 15
Kynnyksen mitoitus Tulva-aukkojen kynnykset on suunniteltava muodoltaan sellaiseksi, ettei virtaus missään olosuhteissa irtoa kynnyksestä. Pekka Leiviskä 13.10.2017 16
Tyypillinen ylivirtauksen mitoituksessa käytettävä laskentayhtälö Weisbachin patokaava (RIL 141) Pekka Leiviskä 13.10.2017 17
Polenin kaava Paikoissa, joissa veden virtausnopeus padon yläpuolella on pieni, Polenin kaava (RIL 141) Pekka Leiviskä 13.10.2017 18
Alaveden vaikutus esim. korjauskertoimella Vaikutus korjauskertoimella x (RIL 141) Pekka Leiviskä 13.10.2017 19
Alaveden vaikutus Dubuatin kaavalla Korjauskertoimen sijasta huomioidaan alavedenkorkeus h2 (RIL 141) Pekka Leiviskä 13.10.2017 20
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 13.10.2017 21
Kynnyksen muodon vaikutus purkautumiskertoimeen Pekka Leiviskä 13.10.2017 22
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 13.10.2017 23
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 13.10.2017 24
Laajennettu Bernoullin yhtälö Avouomavirtauksen määrittämiseen Laajennus häviötermillä hf Pekka Leiviskä 13.10.2017 25
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 13.10.2017 26
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 13.10.2017 27
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 13.10.2017 28
Onko alaveden korkeus aina vakio samansuuruisella virtaamalla? Kasvillisuuden muutokset (vuodenaikaisvaihtelut) Jäätilanteen vaikutus Hyyde Vedenkorkeuden nousu alapuolella jonkin muun tulvajuoksutuksen seurauksena Pekka Leiviskä 13.10.2017 29
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 13.10.2017 30
Vesikynnys Erittäin tärkeä ymmärtää vesikynnyksen merkitys veden energian vaimentajana Voidaan hyödyntää mm. alapuolisen uoman eroosiosuojauksen suunnittelussa Mitä tarkoittaa ja miltä näyttää? https://www.youtube.com/watch?v=crnisqstx7q Pekka Leiviskä 13.10.2017 31
Frouden luku Fr Suorakaiteen muotoiselle uomalle (RIL 187-1990) Pekka Leiviskä 13.10.2017 32
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 13.10.2017 33
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 13.10.2017 34
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 13.10.2017 35
Veden virtauksen lisävaimennus Suunnitellaan vaimenninkynnykset virtaavan veden energian pienentämiseksi Toimivuus yleensä varmennetaan vielä pienoismallikokein https://www.youtube.com/watch?v=fxdiga06xby&t=9s Pekka Leiviskä 13.10.2017 36
Koneisto Ylikuormituksen estolaitteet Vinoon menon esto Ketjujen toiminta Voitelulaitteet Koekäyttö Pekka Leiviskä 13.10.2017 37
Sähkölaitteet Noudatettava sähköturvallisuusmääräyksiä Rajakatkaisijat Lämmitys Luukun asentotieto Varoituslaitteet Pekka Leiviskä 13.10.2017 38
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 13.10.2017 39
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 13.10.2017 40
Käyttö- ja huolto-ohjeet Luukulle on laadittava käyttö- ja huolto-ohjeet, jotka on säilytettävä asianmukaisesti. Pekka Leiviskä 13.10.2017 41
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 13.10.2017 42
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 13.10.2017 43
Säännöstelyrakenteiden kestävyys hätäjuoksutuksille Padon aukkojen mitoituksen lisäksi huomioitava alapuolen kestävyys mitoitusvirtaamalle Esimerkkinä vauriot Orovillen padossa 2017 http://www.mercurynews.com/2017/02/19/orovilledam-dramatic-photos-show-damage-to-damsemergency-spillway/ Pekka Leiviskä 13.10.2017 44