Vízépítés, vízgazdálkodás

Vízépítés, vízgazdálkodás segédlet a Vízépítés részhez

készítette: Kéri Barbara Dr. Hamvas Ferenc előadásai alapján

2010. szeptember

Felhasznált irodalom: Hamvas F., Vízépítés, J9-1263, Műegyetemi Kiadó, 1994. Hamvas F., Kozák M., Folyami vízépítés – 3. Vízépítési szerkezetek J-101284, Tankönyvkiadó, 1989 Kozák M., Sabathiel J., Vízfolyások rendezése és hasznosítása – 1. Vízfolyások rendezése J 9-1008, Tankönyvkiadó, 1977 HEFOP jegyzet: Vízépítés, vízgazdálkodás

2

Tartalom 3.4.4. Pillérek ...................................................... 28 3.5. Folyószabályozás ....................................... 28 3.6. Folyószabályozási művek (szabályozási elemek):........................................................................ 29

Előszó ............................................................................... 5 1. Keresztezési műtárgyak....................................... 6 1.1. Áteresz............................................................... 6 1.2. Többfeladatú áteresz................................ 10 1.2.1. Zsilipes áteresz....................................... 10 1.2.2. Vízszintszabályozó áteresz ............... 11 1.2.3. Csőzsilip .................................................... 11 1.3. Bújtatók.......................................................... 12 1.3.1. Aknás bújtató .......................................... 13 1.3.2. Lejtős bújtató .......................................... 13 1.4. Többfeladatú bújtató ................................ 13 1.5. Hidak ............................................................... 13 1.6. Csatornahidak ............................................. 14 1.7. Csőhidak ........................................................ 14

4. A vízerő-hasznosítás alapjai .................. 30 4.1. A vízerő-hasznosítás lehetőségei ........ 31 4.2. Vízerőkészlet elmélet ............................... 32 4.3. A teljesítménygörbe szerkesztése ...... 33 4.4. Vízi erőművek osztályozása .................. 35 4.4.1. Hasznosítható esés szerinti osztályozás:................................................................. 35 4.4.2. Teljesítőképesség szerinti osztályozás:................................................................. 35 4.4.3. Energiatermelés jellege szerinti osztályozás:................................................................. 35 4.5. Folyami vízerőművek elrendezései ... 35 4.6. Folyami vízerőművek............................... 36 4.6.1. Előcsatorna .............................................. 38 4.6.2. Turbina ...................................................... 38 4.6.3. Az energiaátalakítás berendezései 40 4.6.4. Szívócsatorna.......................................... 40 4.7. Nagyesésű vízierőművek ........................ 41 4.8. Szivattyús energiatározók...................... 41

2. Beton-, kő és földanyagú völgyzárógátak .......................................................... 14 2.1. Betonanyagú gátak .................................... 17 2.1.1. Súlygátak .................................................. 17 2.1.2. Íves súlygát .............................................. 18 2.1.3. Pilléres gátak........................................... 18 2.1.4. Pillérgát ..................................................... 18 2.2. Kőanyagú gátak .......................................... 18 2.2.1. Falazott kőgátak .................................... 18 2.2.2. Rakott kőgátak ....................................... 18 2.2.3. Szórt kőgátak .......................................... 18 2.2.4. Szivárgás elleni védekezés (gátban és gát alatt) ...................................................................... 18 2.3. Földanyagú gátak ....................................... 19

5. Ármentesítés................................................ 42 5.1. Árvízmentesítés és árvízvédelem fejlődése Magyarországon .................................... 42 5.1.1. Árhullámok kialakulása...................... 42 5.1.2. Híres/hírhedt árvizek ......................... 43 5.1.3. Az árvízmentesítés feladatai ............ 43 5.1.4. Az árvízvédekezésre rendelkezésre álló módszerek .......................................................... 43 5.1.5. Az árvízmentesítés művei ................. 45

3. Duzzasztóművek és a folyószabályozás alapelvei és művei .................................................... 21 3.1. Duzzasztóművek ........................................ 21 3.2. Állógátak ........................................................ 21 3.3. Fix gátak......................................................... 22 3.3.1. Hidraulikus profilú gát........................ 22 3.3.2. Meredek hátfalú gát ............................. 22 3.3.3. Ambursen-féle gátak............................ 23 3.4. Mozgatható gátak....................................... 24 3.4.2. Ideiglenes elzáró berendezések ...... 27 3.4.3. Energiatörők ........................................... 28

6. Árvízvédelem............................................... 46 6.1.1. Az árvízvédelmi töltések .................... 46 6.1.2. Az árvízvédelmi töltések igénybevétele ............................................................. 46 6.1.3. Védekezés a töltésmeghágás ellen . 47 6.1.4. Védekezés hullámverés ellen ........... 48 6.1.5. Védekezés átázás és megcsúszás ellen ...................................................................... 48 3

6.1.6. ellen 6.1.7.

Védekezés töltés alatti talajtörés ...................................................................... 49 A védekezés egyéb jellemzői ............ 49

8. 8.1. 8.2. 8.3. 8.3.1. 8.3.2. 8.3.3.

7. Vízlépcsők ..................................................... 50 7.1. A vízlépcső fő műtárgyai ......................... 50 7.1.1. Duzzasztómű........................................... 50 7.1.2. Vízerőtelep............................................... 50 7.1.3. Hajózsilip .................................................. 52 7.1.4. Halközlekedők ........................................ 55

4

Hajózás ........................................................... 56 Víziutak .......................................................... 56 Kikötők ........................................................... 56 Partfalak ........................................................ 58 Függőleges partfal ................................ 58 Rézsűs partfal ......................................... 58 Kikötői ponk ............................................ 59

Előszó Ezt a segédletet Kéri Barbara MSc hallgató készítette, a Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék kérésére. Ennek fő célja, hogy a hallgatók további segítséget kapjanak a vízépítési műtárgyak vázlatrajzainak elkészítéséhez és a tananyag elméleti anyagának elsajátításához. Az előadási anyagok összegyűjtéséhez felhasználta saját jegyzeteit, s ezt egészítette ki időközben, újabb előadások anyagaival. Az összeállítás segítséget ad a felkészüléshez, de nem helyettesíti az előadásokat és a megírt jegyzeteket. Továbbra is szüksége van a hallgatóknak ahhoz, hogy saját előadási jegyzeteiket is használják. Hangsúlyosan tanácsolható, hogy a beszámoló dolgozathoz való felkészüléshez, rajzolják le szabad kézzel az ábrákat, hogy azt teljes biztonsággal vissza tudják majd adni. Ügyeljenek a szerkezeti elemek lerajzolásán túl, a részletekre is, mint például a vonalvastagságra (kottavonal vékony, metszetvonal vastag, nézetvonal közepes), és a feliratokra, továbbá a műtárgyak alakhelyes ábrázolására. Kéri Barbara munkáját, a hallgatók és magam nevében is, ezúton is köszönöm. Budapest, 2010. március 18. Módosítás: 2010. október Dr. Madarassy László egyetemi adjunktus

5

A vízépítés, ahogy a neve is mutatja, zömmel építéssel, építési jellegű műtárgyakkal, létesítményekkel foglalkozik, melyek lehetővé teszik a víz használatát, illetve a vízkárok elleni védelmet. Vízépítési műtárgyak alatt állandó jellegű, betonból vagy kötőanyag felhasználásával kőből épített szerkezeteket értünk, míg vízépítési létesítmények alatt a kőanyagú, de kötőanyag nélküli vagy földanyagú szerkezeteket értjük. Ezek alapján az árvízvédelmi töltés nem műtárgy, hanem létesítmény, mivel földből készült, vagy a sarkantyú, amely kőből épült ugyan, de nem használnak kötőanyagot az építésnél. A tantárgy a fontosabb vízépítési szerkezetekkel és a műtárgyak kialakításával foglalkozik. A műtárgyak tervezése két fontos részből tevődik össze: a statikai tervezésből (amely alatt a teherbírást értjük) és hidraulikai tervezésből. A statikai tervezés más tantárgyak feladata (pl.: Vasbetonszerkezetek), így ezt itt részletesen nem tárgyaljuk. A hidraulikai tervezés által funkcionálisan tesszük alkalmassá az adott műtárgyat feladata ellátására. A vízépítési létesítmények ki vannak téve a természeti jelenségeknek (pl.: altalaj viszonyoknak, geológia, geotechnikai, időjárási stb. változásoknak), ezek akár a hidraulikai funkciót is befolyásolhatják. A műtárgyak funkciója általános értelemben az, hogy lehetővé teszik a víz lefolyásának szabályozását, a vonalas létesítmények kereszteződését, a hidraulikai követelmények kielégítését, a víznek az alacsonyabb térszínű helyről a magasabb térszínű helyre való átemelését. A műtárgyakat feladatuk szerint a következőképpen csoportosítjuk:    

keresztezési műtárgyak, szabályozó műtárgyak, esés-összpontosító műtárgyak és gépi vízemelési műtárgyak (szivattyútelepek).

1. Keresztezési műtárgyak A keresztezési műtárgyak a víz vezetésére épített létesítmények, valamint vonalas létesítmények (út, vasút), csatornák, vízfolyások, csővezetékek kereszteződésénél épülnek. A keresztezési műtárgyak közül a leggyakrabban kivitelezett műtárgy típusok:     

Egyszerű átereszek és több feladatú átereszek Egyszerű bújtatók és több feladatú bújtatók Hidak Csatornahidak Csőhidak

1.1. Áteresz Átereszeknek (1. ábra) nevezzük azokat a vasúti vagy közúti töltés alatt épülő, vízvezetésre szolgáló műtárgyakat, amelyeknek fenékszintje lényegében nem különbözik az eredeti mederfenék szintjétől. Az átereszek küszöbszintje és a csatornák fenékszintje általában megegyezik, hosszirányú esésük legfeljebb 5%. Az átereszek készülhetnek helyben, monolit vasbeton szerkezetekként, vagy előre gyártott elemekből. Általános szelvényméretek (a szelvényméreteket az átmérő jellemzi a legjobban, melyet D-vel jelölünk): négyszög keresztmetszet esetén: 0,80 ÷ 1,10-től akár egészen 1,4×1,6 m-

6

es előre gyártott elemeket is készítenek. Körszelvény esetén: 60÷80 cm-től akár 2 m-ig. (20-25 évvel ezelőtt az előre gyártott elemeket favorizálták a tervezők, ekkor kialakultak általános méretek. Ezekben az esetekben figyelembe kell venni, hogy a 60 cm-es átmérőjű áteresz nehezen tisztítható, emiatt megállapítható, hogy 80 cm-es átmérőnél lehet ugyan kisebbet alkalmazni, de fenntartani ezeket nehézkes.)

A- A

A

B

C

A

B

C

B- B

C- C

1. ábra: Általános áteresz hosszmetszete és jellemző metszetei (Az ábrát — amennyiben zh kérdésben szerepel — feliratozni szükséges, vagyis meg kell nevezni a részeit és főbb méreteit)

A műtárgy kialakítása: Alsó részén egy soványbeton alap található, amelyre a vasbeton műtárgy kerül rá. a műtárgy felett legalább 60 cm talajréteg alkalmazandó, hogy a műtárgyon a teher el tudjon oszlani, illetőleg a rezgésektől is véd. A műtárgy előtt és után elő- és utófenék található. (Az alvízi záradékvonal és alvíz szintje között legalább D/5 különbségnek lennie kell, vagyis az átereszben az áramlás nyomás alatt történik.) A műtárgyban kialakuló sebességekről: a műtárgy előtt v0, a műtárgyban, ez megváltozik, azaz megnő v1 sebességre, mivel egyrészt a műtárgy súrlódása lényegesen kisebb, mint a mederé, másrészt a keresztmetszet is kisebb, mint a csatornáé. Az alvíz felől kilépő víz fokozatosan szétterjedő módon terül el a mederben, a műtárgy után. Amennyiben a medret szűkítjük, akkor a víz jól követi azt, azonban amikor bővítjük, akkor nagyjából 12º-os szöget tud követni, amely következtében egy nagyon hosszú műtárgy keletkezne, nagyobb költségigénnyel. A kialakításkor arra is figyelni kell, hogy a beömlés iránya következtében is minél kisebb veszteségek alakulhassanak ki (3. ábra).

2. ábra: Az áteresz alvíz felőli végének hidraulikailag kedvezőtlen (a) és kedvező (b) megoldása (Az ábrát — amennyiben zh kérdésben szerepel — feliratozni szükséges, vagyis meg kell nevezni a részeit és főbb méreteit)

7

3. ábra: Csatorna és áteresz csatlakozása (Az ábrát — amennyiben zh kérdésben szerepel — feliratozni szükséges, vagyis meg kell nevezni a részeit és főbb méreteit)

A hidraulikai méretezésnél a következő főbb szempontokat kell mérlegelni:    

műtárgy okozta duzzasztást, a műtárgyak egymásra hatását, a be- és kilépő szelvény utáni vízsebességet, a feliszapolódás, a szelvényszűkület hatását.

Amikor a sebesség felgyorsul, a meder állékonysága is veszélybe kerül, ugyanis ha a kimélyülés határsebességénél gyorsabban áramlik a víz, akkor tönkreteheti a medret. (Minden talajra meghatározható egy kimosódási határsebesség, amit figyelembe kell venni a tervezéskor.) A víz lelassulása idején nem képes tovább szállítani a hordalékát és lerakja, ilyenkor feltöltődés keletkezik, míg amikor felgyorsul, egyre nő a hordalékszállító képessége. Emiatt a nagy műtárgyaknál jelentős lerakódások lehetnek a felvízi oldalon és kimélyülések az alvízi oldalon.

4. ábra: A duzzasztás értelmezése

8

Az átereszek működése hidraulikai szempontból különböző lehet, úgymint nyílt felszínű átfolyás vagy nyomás alatti átfolyás. Az utóbbi esetben az átereszt hidraulikailag rövid csőként méretezzük, vagyis az áteresz által okozott hv energia veszteség (4. ábra) vagy más szóval visszaduzzasztás a következőképpen írható fel:

ahol:

v1 [m/s]: a víz sebessége a műtárgyban v0 [m/s]: a víz sebessége a műtárgy előtt ξbe [–]: belépési veszteség ξki [–] : kilépési veszteség λ [–]: súrlódási együttható l [m]: hosszúság R [m]: hidraulikai sugár

A λ súrlódási együttható a beton felület kialakításától függ, értéke változik az üzemelés során, mivel a vízátvezetés nem mindig teljes szelvényben folyik, illetve akár élőlények is megtelepedhetnek a műtárgy belsejében (pl: kagylók). Ahogy a keresztmetszet szűkül, úgy változik a sebesség értéke, és a súrlódási együtthatóé is. A λ drasztikus változása esetén a műtárgy esetleg nem tudja szállítani a tervezett vízmennyiséget, így visszaduzzasztást okozhat, sőt akár az elöntés veszélye is fennállhat. A keresztmetszet csökkenés miatt is elképzelhető, hogy a szállított uszadék fennakad, így a fenntartási munkálatok során ezeket is el kell távolítani. Emiatt nem szabad a megépített műtárgyat magára hagyni, hanem legalább évente tisztítani szükséges (ez a nagyobb műtárgyakra irányadó érték). Amennyiben egy vízfolyás vagy csatorna sokszor keresztez utat, vasutat esetleg másik csatornát, akkor a sok műtárgy miatt, összességében nagy hidraulikai veszteség lesz, és emiatt esetleg nagyon mélyen kellene vezetni a csatornát, ilyenkor akár esés növelő szivattyútelep alkalmazására lehet szükség, amellyel megemelik a vizet. Annak érdekében, hogy erre minél kevesebb esetben legyen szükség, a hv maximális értéke 10-12 cm. A be- és kilépő szelvény alakja számottevően befolyásolja a duzzasztás számértékét. A régebbi, hagyományos típusoknál a be- és kilépő szelvénynél az áteresz végét a felette kialakított rézsűfelület hajlásának megfelelően lemetszették. Ez kör keresztmetszetű áteresznél ún. sípfejű négyszög szelvényűnél ferde csőfejű be- illetve kilépési szelvényt ad. Mindkét esetben a veszteségtényezők számértéke nagy. Az áteresz fejének kismértékű átalakításával ugyanolyan hidraulikai feltételeket figyelembe véve az a jelű csővéghez a b megoldás mintegy 30-35 %-kal kisebb veszteséget eredményez (2. és 3. ábra). Tehát minél kisebb és enyhébb törések vannak ezeken, és a törések helyénél minél lassabb az áramlás (nagyobb az átfolyási szelvény) annál kisebb a be- illetve a kilépési ellenállás. A be- és kilépő szelvénynél minimum 3-5 m hosszú előfenék, illetve körülbelül 5-8 m hosszú utófenék alkalmazása szükséges, az utófenék után további kőszórással kell védeni a medret. A beépített elő- és utófenék és a műtárgy között rés van, mivel a magára a műtárgyra és az elő- és utófenekekre más terhelések hatnak, a rést pedig vízzáróan szigetelni kell. Itt megemlíteném, hogy a szelvényt síkban ábrázoljuk, de az előfenék és utófenék, nemcsak a fenéken, hanem a teljes szelvényben az egész felületet lefedi.

9

Előfordulhat, hogy egy kisebb szelvényű műtárgy nem tudja biztonságosan levezetni a számított vízhozamot, ilyenkor megduplázzuk a műtárgyat és ún. ikerműtárgyat alkalmazunk. Ebben az esetben nem elég a számításokat egy műtárgyra elvégezni, és kétszeres szorzót alkalmazni. A kettőt egységként és külön-külön is méretezni kell. Amennyiben az átfolyás teljes keresztszelvényben történik, akkor nagyon nagy súrlódó felülettöbblet keletkezik, és az áteresz zárt szelvényként fog funkcionálni, ilyenkor szükség van megfelelő vízmagasságra az alvíz felől, különben „szortyogni” fog a műtárgy (beszívja és kilöki a vizet). Ez nemcsak hang problémákat fog okozni, hanem olyan káros dinamikus terhelésnek tesszük ki vele a műtárgyat, ami gyorsabb tönkremenetelt okoz. Azokon a helyeken, ahol a vízfolyás lelassul, ott a hordaléka kiülepszik, viszont ahol felgyorsul ott hordalékot fog szállítani, ami meder kimélyülést okoz. Hordalék alatt az egészen kis frakciótól a kavicsig terjedő mederből származó anyagot nevezzük, melyek közül a könnyebbek (a finom frakció) a vízfelszínhez közelebb, míg a nehezebb részek a mederfelszínhez közel haladnak. Azonban uszadék alatt a vízfelszínen vagy közvetlen közelében szállított dolgokat értjük, pl.: faág, falevél, döglött állat.

1.2. Többfeladatú áteresz 1.2.1.

Zsilipes áteresz

Általában több feladatú csatornákon alkalmazzák, minden olyan esetben amikor szükség van a víz szabályozott vezetésére. Például a belvízcsatornákban az ún. belvízkormányzásra, továbbá nyáron öntözőcsatornáknál, valamint a vízgazdálkodási rendszerek üzemeltetéséhez. Ez utóbbi esetben szabályozással juttatunk vizet a természetvédelmi területekre, az ipar számára, a tőgazdaságoknak stb. Az ilyen szabályozó műtárgyaknál a zsiliptáblák elhelyezésére horony kiépítése szükséges, amelybe zsilip építhető be, melynek fel-/lehúzásával szabályozható a csatorna vízszintje (5. ábra). A vízelvezetés szabályozására egyszerű táblás zsilip szolgál, kézi mozgatással.

5. ábra: Zsilipes áteresz

10

1.2.2.

Vízszintszabályozó áteresz

Felvíz felől ritka rácsozatú életvédelmi gerebet alkalmazunk. Alvízi oldalon a vízszintszabályozó — általános esetben főleg szegmens elzárás — található. A műtárgy javításához szükség lehet a teljes elzárásra, ennek érdekében mind felvíz, mind alvíz oldalon kiépítendő egy-egy ideiglenes elzárás. Az ideiglenes elzárás leggyakrabban dupla horony, melybe betétpallók helyezhetők. A pallók közötti rést vízzáró földtöltéssel látják el. 1.2.3.

Csőzsilip

Árvízvédelmi töltések esetében alkalmazzák, a zsilipkaput mindig a víz áramlás irányában (a felvíz felől) alakítják ki, az elzárás céljaira zsiliptáblát alkalmaznak (6. ábra) A zsiliptábla mellett a zsilipaknában van még hely kialakítva, ahová betétgerendákat lehet behelyezni, az ezek közötti résekbe pedig vízzáró anyaggal biztosítják az ideiglenes elzárást. Ez a megoldás még abban az esetben is védi a vízfolyást/csatornát a befogadó árvizeitől, ha a zsiliptábla — valamilyen meghibásodás miatt — önmagában nem lenne elég. Az aknának a töltéssel való kapcsolatát, pontosabban megközelítését meg kell oldani, és a zsiliptáblát irányító szerkezetet is ide helyezzük el. (Hídféleséget kell kivezetni az aknához.) Mivel ez a műtárgy hosszúvá nyúlhat, a teher felette meglehetősen változó mértékű lehet (árvíz esetén megjelenik egy plusz nyomóerő is a vízteherből), ezért a csőzsilipeket nem egyben építik, hanem hézagolják, így a terhek következtében fellépő kis mozgások által okozott tönkremenetelt ki lehet küszöbölni. A hézagokat természetesen vízzáró módon szigetelik (gumiszalaggal), így a bekerülő víz nem áztatja fel a töltést. Ugyanis, ha átáztatja a töltést, akkor a talajbeli súrlódás megváltozik, emiatt a földfelület és a műtárgy találkozásánál a víz jobban fog szivárogni (a kontúrszivárgás talajátrendeződést okozhat).

6. ábra: Árvízvédelmi töltést keresztező csőzsilip

11

1.3. Bújtatók Akkor építik, ha a vízfolyások/csatornák egymást keresztezik (esetleg úttal, vasúttal keresztezőik) és a szintbeli átvezetés nem megoldható, csak a fenékszint süllyesztésével vezethető át a víz. (A bújtatókat akkor alkalmazzuk, ha a csatorna vize és a keresztezett útvonal vagy csatorna legmélyebb pontja között nincs legalább 0,8 m különbség.) Ritkán előfordulnak hármas kereszteződések is: a Rákos-patak és az M3 metró kereszteződése, ahol a felszínen a forgalom is halad. A tervezőknek itt két problémával kellett szembesülniük: a forgalom alatt hagyják meg a patakot, és aláfúrják a metrót, vagy a patakon bújtatót alakítsanak ki, és közvetlenül a kéreg alá kerüljön a vasút. Második probléma: a méretezési vízhozam kb. 100 m3/s, míg a kis vízhozam 20-30 l/s, így az építendő bújtató túl nagy keresztmetszetű lett volna, ahol a vízsebességek nagyon megnőttek volna, és a rohanó víz további problémákat okozott volna, így a kis vizekre egy külön bújtató került megépítésre.

A bújtatónak három szerkezetileg jól elkülöníthető része van: leszálló rész, vízszintes rész és felszálló rész (7. ábra).

7. ábra: Aknás, illetve lejtős bújtató (Az ábrát — amennyiben zh kérdésben szerepel — feliratozni szükséges, vagyis meg kell nevezni a részeit és főbb méreteit)

A bújtatás lehet teljes vagy részleges. Teljes bújtatás esetén a bújtató vízszintes szakaszának záradékvonala az eredeti mederfenék szintje alá, míg részleges bújtásnál a fenékszint fölé kerül. A bújtató és a vízfolyás közötti kapcsolatot megfelelő átmeneti mederszakasszal szükséges biztosítani. A hidraulikailag helyes kialakítás értelemszerűen a be- és kilépő szelvény, illetve a fej kialakítására vonatkozik (ld. áteresznél ismertetett szempontokat). A bújtató veszélyes üzem, így életvédelmi gereb alkalmazása szükséges, ez az eszköz megakadályozza, hogy emberi életeket oltson ki a víz, ha valakit elsodor a víz a bújtató felé. Az életvédelmi gereb egy ritka fogazású gereb, hiszen csak az életvédelem a feladata (a fűszálakat, és kisebb faágakat nem fogja meg). Azonban így is akadhatnak fent rajta különböző faágak, így azokat el kell távolítani, hogy ne zárják le a szelvényt, illetve ne okozzanak visszaduzzasztást. A bújtatóban a hordalék kiülepedik, ezért szívózsompot helyezünk el, hogy a hordalék eltávolítását el tudjuk végezni. Az uszadék illetve hordalék eltávolítását rendszeres időközönként meg kell oldani, ezt a „Vízügyi szolgálat” végzi.

12

1.3.1.

Aknás bújtató

Hidraulikailag nem túl jó megoldás, akkor javítható mindez, ha trombitaszelvényként alakítjuk ki a beömlési helyet, ilyenkor képződik ugyanis a legkisebb veszteség. Az aknás bújtató esetén az életvédelmi gerebnek még fontosabb szerepe van, hiszen ebből a bújtatóból nemcsak a gyerekek, de a felnőttek sem jutnak ki élve – üzemelés esetén. Az aknás bújtató (7. ábra felső rész) komoly veszteségeket jelent a vízfolyás számára, az aknából kijutva a hordalékát is lerakja, amit a szívózsompból tudunk kigyűjteni. A biztonságos üzemeltetéshez szükséges karbantartási munkák végett meg kell oldani, hogy a függőleges falon a karbantartók le tudjanak jutni (létra – lehet állandó vagy ideiglenes is). 1.3.2.

Lejtős bújtató

A víz a beömlési fej után a leszálló csőbe jut, majd a közel vízszintes csövön át a felszálló csőbe érkezik, ahonnan a kiömlő fejen át az alvíz oldali mederbe torkollik (lásd 7. ábra alsó részét).

1.4. Többfeladatú bújtató Akkor fordul elő, ha élővíz vagy csatorna keresztez egy olyan csatornát, melyből szabályozott módon vizet is akarnak kivenni. Ilyenkor a gereb után elzáró szerkezet kerül beépítésre. A horony kialakításakor ügyelni kell, hogy annak el kell érnie a felszínig, ezáltal lehetőség nyílik arra, hogy be- illetve ki lehessen vezetni vizet a másik műtárgyba/a másik műtárgyból. Erre általában akkor kerül sor, ha nagyobb víztömeg érkezik (árvíz), és meg lehet vagy kell csapolni a víztömeget (8. ábra).

8. ábra: Többfeladatú bújtató

Hidraulikai méretezése ugyanúgy zajlik, mint a bújtatóké. Nincsenek jellemző méreteik, így általában monolit vasbetonból épülnek. Fontos, hogy a műtárgynak funkcionálisan működőképesnek kell lennie!

1.5. Hidak Híd építésével is megoldható a vízfolyás illetve csatorna keresztezése. Híd építése olyan nagyobb csatornák illetve vízfolyások esetén indokolt, amelyek vízszállítása meghaladja a 3 m3/s-ot. Az élő vízfolyás uszadékot szállít (akár faágak, akár jégtáblák, akár ezek együtt), így a kialakításkor ügyelni kell arra, hogy a maximális vízhozam szállítása esetén és a levonulási vízszín és a műtárgy alsó éle között megfelelő távolságot kell hagyni, hogy az uszadékok ne akadjanak fenn, és ne alakuljon ki nyomás alatti átfolyás. (Ez már jelentett problémát a Sajón régebben ugyanis

13

egy vasúti híd kialakításánál ezt nem vették figyelembe, így elvitte a hidat a víz.) Erre a megfelelő távolságra a gyakorlat a következő szabályokat alakította ki, ahol Q a mértékadó vízhozam: Q > 120 m3/s 80 m3/s < Q < 120 m3/s Q < 80 m3/s

h=1 m h=80 cm h=50 cm

1.6. Csatornahidak A csatornahidak általában öntözőcsatornák terepmélyedésen való átvezetésére szolgálnak. Szelvényük lehet zárt vagy nyitott, helyszínen készített vagy előregyártott. Mivel a víz mindig a nagyobb nyomástól a kisebb felé áramlik, problémát okozhat egy terepmélyedés (pl.: völgy) egy csatorna vezetésében. Ez történt a Duna-Majna-(Rajna) csatorna építésekor is, így olyan hidat építettek egy völgy felett, amely hajóforgalomra alkalmas. Azonban általában öntözőcsatornák esetében fordul elő, pl.: hullámtéren átvezetett csatorna esetén (pl.: Tiszaörvény). A kivitelezéskor nagyon ügyelni kell a vízzárásra, illetve elképzelhető, hogy a híd támaszai nem egyazon mértékben süllyednek, ez is csökkentheti a vízzárást.

1.7. Csőhidak Ivóvizet, energiahordozókat szállító csővezetékek vízfolyással való keresztezésénél az átvezetés megoldására csőhídépítésre is sor kerülhet (lehetőség van ugyanis a vízfolyás alatti átvezetésre is). Élővízfolyásnál, csatornával történő keresztezésnél – ahol nincs hajózási igény – számos előnyt biztosító, gazdaságos megoldások ezek. Hajózható vízfolyások esetén ügyelni kell, hogy a hajózáshoz szükséges űrszelvény megmaradjon. A víz feletti átvezetés esetén a következőket kell betartani: főleg az energiahordozók esetén duplafalú csövet kell alkalmazni; szakaszolhatóvá kell tenni a vezetéket (elzárási lehetőséget kell kiépíteni mindkét oldalon. A tartószerkezet alsó élének legalább 80 cm-rel magasabban kell lennie a mértékadó vízszintnél.

2. Beton-, kő és földanyagú völgyzárógátak A völgyzárógátak célja: egy vízfolyás elrekesztésével a vízfolyás egyenletes vagy változó vízhozamát felhasználó igényei szerint szabályozza. Domborzat szerinti csoportosítás:    

hegyvidéki – nagy magasságok dombvidéki – kisebb magasságok síkvidéki – egészen kis magasságok (pl.: hullámtéri duzzasztók, ld.: Kisköre) vésztározók vagy szükségtározók.

14

9. ábra: Völgyzárógát tározótérrel

A dombvidéki vagy hegyvidéki tározók duzzasztóműveit völgyszűkületben szoktuk elhelyezni, és a duzzasztómű miatt az elzárt vízfolyás vize fel fog tölteni egy bizonyos tározóteret. (Tározótérnek hívjuk azt a területet, amelyet a duzzasztás miatt elönt a víz.) A tározásnak mindig van valamilyen célja, pl.: vízi energia hasznosítása, jóléti tó (sportlétesítmény, halászat stb.), öntözési célú tó, árvízvisszatartó tó (különböző vízfolyásokon lefolyó árhullámok, ne egymást erősítsék, hanem összefolyáskor az árhullámok így elkülönülnek, és kevésbé veszélyesek). A tározás során a vízszint szabályozható. A létesítés előtt feltáró munkálatokat kell végezni:  altalaj vizsgálatok: betongát csak sziklatalajon építhető; kőanyagú és földanyagú gátak egyéb talajokra is építhetők,  kő- vagy földanyagú gátak esetén anyagnyerőhelyre van szükség minél közelebb, amihez fel kell tárni a környéket.  Az altalaj vizsgálatakor az sem elhanyagolható jellemző, hogy vízáteresztő vagy vízzáró. Amennyiben az altalaj vízáteresztő, akkor elszökne a víz, a szivárgást gátolni kell. Nemcsak a gát alatti területen kell az altalaj főbb jellemzőit megvizsgálni, hanem a tározó tér oldalán (például Vaiont falu határában épült gát). Az 1960-as években Olaszországban Vaiont falu határában nem vizsgálták meg a duzzasztott víztérben az altalajt, amely katasztrófához vezetett. A gát mögött felgyülemlett víz a hatalmas esőzések hatására földcsuszamlást eredményezett és 240 millió m3 földtömeget zúdított le a víztározóba, ahol az óriási földtömeg nyomására lökéshullám indult meg (v2/2g sebességmagasság alakult ki), amely átbukott a gáton és a települések egész sorát öntötte, pusztította el, közel négyezer ember halálát okozva.

Szeizmikus hatásokat is vizsgálni kell, mennyire földrengés veszélyes a terület, ennek milyen hatásai lehetnek a létesítményekre és műtárgyakra. Pl.: A bősi üzemvízcsatorna magas vezetésű, és felkészültek arra, hogyha a régi komáromi földrengéshez hasonló lépne fel, vannak előre kijelölt területek, ahová nem lehet építési engedélyt adni, így kevéssé veszélyeztetné a környező vidéket.

15

A völgyzárógátak tervezésekor elsődleges az élet- és vagyonbiztonság! A tározók tervezésénél további szempont a gazdaságosság:  mennyibe kerül a beruházás?  milyen hasznokat lehet várni? A tározáshoz műtárgyakat kell létesítenünk:  vízkivételi mű,  árapasztó műtárgy (árvízkor az árhullámot át kell tudni vezetni),  az építkezés alatt is meg kell oldani a vízelvezetést,  leeresztő műtárgy, ha a tározótérben probléma keletkezne, akkor azt orvosolni tudjuk, ehhez le kell üríteni a tározót addig, hogy a műtárgyhoz hozzá lehessen férni. A legnagyobb magasságú gátak:  beton anyagú gát  kő anyagú gát  föld anyagú gát

≈300 m ≈300 m ≈100-200 m

10. ábra: A gát főbb elnevezései

Az árvízszint és a gátkorona magassága között egy biztonsági magasság (∆m) marad, amelyet a következőképpen számolunk: ∆m = hullámfelfutási magasság + biztonság. A hullámfelfutási magasságot számítjuk, míg a biztonságot a nemzeti szabvány vagy műszaki előírás adja meg. A biztonsági magasságra azért van szükség, mert amikor a hullám rácsapódik a rézsűfelületre, akkor ott romboló hatást fejt ki, egy dinamikus ütő- és szívóhatás váltja egymást, emiatt megbomolhat a rézsűfelület, így ezt a felületet védelemmel kell ellátni. A holttér két részből áll: leüríthető holttér és le nem üríthető holttér. A le nem üríthető holttér, az a tározótér, ami a fenékleürítő műtárgy szintje alatt van. Ezt a tározóteret nem lehet

16

hasznosítani, gyakorlatilag hagyjuk feliszapolódni (átadjuk ezt a teret a hordaléknak). A leüríthető holttér a leürítő műtárgy felett van, így ez a tározótér hasznosítható. Az alapozási sík környezetében talpszivárgás lehetséges (két idegen test találkozásánál gyakori a szivárgás). Amennyiben nem vízzáró az altalaj, akkor szigetelést kell betenni. (Ugyan a mérnökök gyakran síkban gondolkoznak, de nem szabad elfeledkezni róla, hogy nemcsak a gát alatt vagy a gáttestben lehet szivárgás, hanem a gát mellett oldalt is! –erre nagyon ügyelni kell.) Nemcsak a hullámok, hanem más is okozhat eróziót a földanyagú gáttestben, ilyen pl.: az eső. Eső és felületi erózió elleni védelem szükségeltetik a gátkoronán és a mentett oldalon. A teljes gátmagasság eléréséhez feltétlenül tudni kell az anyagnyerés szempontjait (mennyi anyag szükséges, szükséges-e tömöríteni? (ha föld anyagú, akkor szükséges, ha kő anyagú, akkor nem)) illetve a gát lehetséges süllyedésével is számolni kell, hiszen egy árvízcsúcs-csökkentő tározó esetén csökkenhet az árvízi biztonság a süllyedésből adódóan, azonban ebben az esetben pontosan a magasságot kell garantálni. (A süllyedés adódik a gát keresztmetszet összenyomódásából, és az altalaj összenyomódásából (ki kell tudni számítani ekkora terhelés hatására mennyit fog tömörödni)). A süllyedés miatt több földanyagra lehet szükség, ami többletköltséget jelent.

2.1. Betonanyagú gátak 2.1.1.

Súlygátak

A súlyukkal állnak ellent a ráhalmozódó víznyomásnak. Az eredő erőnek a belső magon kell keresztül mennie. (Ellenkező esetben kvázi húzás állapota alakulna ki a gáttestben.) A szikla repedezett lehet, beszivároghat a víz, és akkora felhajtó erők alakulhatnak, amelyek megbontják a gát stabil helyzetét (mivel a felhajtó erő a G (súly) erővel szemben működve gyengíti az állékonyságot). Ezeket a repedéseket injektálással elzárják olyan anyaggal, amelyik képes gél állapotba kerülni, és így kitölteni a repedéseket. (A 0 pontban kiborító nyomaték keletkezhet, ezért a G súlynak elég nagynak kell lennie ahhoz, hogy ellenálljon.)

11. ábra: Súlygátak méretezési vázlata

17

2.1.2.

Íves súlygát Karcsúbb felépítésűek, mint az egyszerű súlygátak. Az 50-55 m-es talpszélesség lecsökkentheti akár 12 m-re. Csak képzett munkaerővel alakítható ki, ugyanis megfelelő minőségű zsaluzás és alapozás szükséges. Fejlődő államokban munkapszichológiai és szociológiai szempontból, inkább a súlygátat kell preferálni. Mi adja a teherviselőképességét? Erők adódnak át két oldalra, gyűrűfeszültség vízszintesen nézve, függőlegesen nézve befogott konzol.

2.1.3.

Pilléres gátak A pillérek között íves felületeket építenek, ezek az íves felületek felveszik a terhet és továbbítják a talajra. Lehet monolit vagy előre gyártott a szerkezet.

2.1.4.

Pillérgát Egymás mellé épített pillérek, köztük vízzáró kialakítás.

2.2. Kőanyagú gátak 2.2.1.

Falazott kőgátak Falazási technológiával készült súlygátak, régen a Monarchia területén többet is építettek így (ma főleg Szlovákiában találhatók ezek), általában 30-35 magasak. Utólagosan ún. lefúrásos technológiával stabilizálhatók.

2.2.2.

Rakott kőgátak A nagyobb kövek közét kisebb kövekkel is kitöltik, így lesz bizonyos ellenállása szivárgásra. Egy régi, de nagyon jó módszer.

2.2.3.

Szórt kőgátak Nagyjából osztályozott kőanyagból építik: a legjobban vízzáró anyag a vízoldalon, míg a legkevésbé vízzáró a mentett oldalon.

Amennyiben jól meggátoljuk a víz átjutását, akkor megfelelő lesz a duzzasztás. Az átcsurgó víz esetén a tározó létesítésének célja veszhet el! 2.2.4.

Szivárgás elleni védekezés (gátban és gát alatt)

2.2.4.1. Homloki vízzárás A vízoldalon felületi védelem és vízzáró test, és ezek alá pedig szűrő-ágyazó réteg kerül (12/a ábra). A szűrő-ágyazó réteg alsó pontján egy dréncsövet helyezünk el, amelybe a szivárgó vizek összegyűlnek, és a vizeket kivezetjük egy folyókába a mentett oldalon. A gátkoronának közlekedésre alkalmasnak kell lennie, pl.: aszfalt burkolattal lehet ellátni. A vízzáró testet meg lehet hosszabbítani résfal kiegészítéssel. A résfal a vízzáró rétegbe köt, így még inkább gátolni lehet a szivárgást. 2.2.4.2. Héj alatti vízzárás Mind a felvíz, mind az alvíz felőli oldalra szükséges egy szűrő-ágyazó réteg elhelyezése, de az alsó pontjára dréncsövet csak az alvízi oldalon teszünk, hiszen a szivárgó vizet nem tudjuk visszavezetni a dréncsőből a felvízi oldalra. Megvizsgálandók az altalaj

18

vízzárási/vízáteresztési jellemzői, szükség esetén résfal alkalmazható. A vízzáró rész aljában nem hegyesszöggel válik el az altalajtól, hanem tompaszöggel, ennek munkavédelmi és kivitelezhetőségi okai vannak (12/b ábra). 2.2.4.3. Mag vízzárás A vízzáró rész középre kerül (12/c ábra) és a résfalat — amennyiben szükséges — szintén középre kerül, így kötjük be a vízzáró rétegbe. Szűrő-ágyazó rétegre itt is szükség van.

12. ábra: Homlok- (a), héj alatti (b) és mag (c) vízzárás elvi vázlata (Az ábrát — amennyiben zh kérdésben szerepel — feliratozni szükséges, vagyis meg kell nevezni a részeit és főbb méreteit)

2.3. Földanyagú gátak Nemcsak a beton és kő anyagú gátak anyagaira állítanak fel a szabványok komoly követelményeket, hanem a föld anyagú gátakra is. Ilyenkor mindig figyelembe kell vennünk, hogy vízzáró vagy vízáteresztő anyagból építjük a gátat. Szivárgás ellen ugyanazok a lehetőségek vannak, mint a kő anyagú gátaknál: homloki vízzárás, héj alatti vízzárás és mag vízzárás (12. ábra). A gát anyagába szerves anyag ne kerüljön, mert az idők során elhalhat, és elmállik az anyaga. Az így létrehozott repedések akár nagy károkat is okozhatnak, mivel jelentősen lerövidítik a szivárgási úthosszt. Az állandósult szivárgás kihordhat anyagokat a gátanyagból, ami a gát tönkremenetelét okozza. Ugyanígy kerülendő a duzzadásra és zsugorodásra hajlamos talajok

19

alkalmazása is. Vannak bizonyos anyagok, melyeket nem javasolunk gátépítési anyagnak folyósodásra való hajlamosságuk miatt pl.: iszap, lösz és szikes talaj. A talaj jellemzőit előre meg kell vizsgálni, előfordulhat ugyanis, hogy levegőre kerülve elveszíti a talaj a kimért jellemzőit. Tömörítés esetén a talaj rugózik (a tömörítő gép hatására tömörebb lesz ugyan időlegesen, de amint a tömörítő gép elhagyja a területet, „visszaugrik” az eredeti kevésbé tömör állapotba), ennek oka a semleges feszültség, melyet nem hagyhatunk figyelmen kívül a tömörítés megállapítása során. A szivárgás elleni védekezési műveket csoportosíthatjuk aszerint, hogy a gátanyag milyen vízzáró/vízáteresztő tulajdonságokkal bír: Vízzáró

Vízáteresztő

 homloki vízzárás,  héj alatti vízzárás,  mag vízzárás.

 függőleges szivárgó fal,  szivárgó szőnyeg,  kombinált megoldás (az előző kettő kombinációja).

13. ábra: Függőleges szivárgó (a), szivárgó szőnyeg (b) és talpszivárgó (c)

Függőleges szivárgó fal (13/a ábra): drénezi, azaz vízteleníti a gáttest és lesüllyeszti a gáttesten belüli szivárgási nyomásvonalat. Vízszintes szivárgó (13/b ábra): a víz mindig a legkisebb ellenállás irányába halad, így a vízszintes szivárgó(szivárgó szőnyeg) is jelentősen lerövidíti a víz szivárgási útját. A vízoldalon burkolattal védendő a rézsű, ez történhet monolit betonnal vagy előre gyártott betonelemekkel, esetleg agyaggal vonhatjuk be, sőt előfordult már az is, hogy acéllemezt

20

használtak, miközben az alsó részen szűrő-ágyazó réteget kell alkalmazni. A mentett oldalt is el kell látni burkolattal: növényi burkolat (speciális gyep), amely védelmet tud nyújtani a víz ellen. A kombinált megoldás során a függőleges és a merőleges szivárgó összekötésre kerül. τ nyíróellenállással számolni kell ( , ahol Gm: gát szelvény feletti súlya, : a talaj belső súrlódási szöge, c: kohézió). Amennyiben az altalaj egy vékony vízzáró rétegből és egy vastagabb vízáteresztő rétegből áll, akkor nyomáscsökkentő kútra lehet szükség, amely megvédi a gáttestet a szivárgástól.

3. Duzzasztóművek és a folyószabályozás alapelvei és művei 3.1. Duzzasztóművek A duzzasztóművek beépítése esetén az eredeti vízszintekhez képest a vízfolyásban a vízállás és a vízsebesség is megváltozik. A felvízi oldalon lassul a víz, a szállított hordalék lerakodik, amely meder feltöltődést okoz. Az alvíz így hordalékban szegényebb lesz, ráadásul itt nagy az energiatartalma is, mivel gyorsabb folyású víz ezen az oldalon. Minden vízfolyás hordalékegyensúlyi állapotra törekszik, minden sebességhez tartozik bizonyos hordaléktöménység, amit szállítani képes. A hordalékot, ha lassul a vízfolyás, akkor lerakja, ha gyorsul, akkor pedig felkapja.

3.2. Állógátak

14. ábra: Állógátra ható erők vázlata

A felduzzasztott víz áramlóból rohanóba megy át a duzzasztómű területén. A duzzasztómű területén kell megoldanunk azt is, hogy rohanóból áramlóba menjen vissza, ezért alkalmazunk vízládát, illetve energiatörő küszöböt. A hátfal kialakítása a szabadesés pályájának megfelelő legyen, hogy minél kevésbé koptassa a hátfalat a víz. A homlokon mindeközben szívás fog fellépni. Az előfenék célja a szivárgási úthossz növelése, ezért vízzáróan kell kialakítani, míg az utófenék célja az alvízi meder védelme, az energiatörés, és a rohanó vízmozgás átalakítása áramló vízmozgássá. Felvíz és alvíz között a duzzasztás miatt H nyomáskülönbség fog kialakulni. Ezt a magasságkülönbséget a víz próbálja egyszerűbben a gát alatti szivárgással leküzdeni, így elsődlegesen ennek meggátlására mind felvíz, mind alvíz felől szádfal/résfal elhelyezésére van szükség, így a víz szivárgási útja meghosszabbodik. A szivárgás miatt az előfenékre, az alapozási

21

síkra és az utófenékre más-más felhajtó erő hat. A felhajtó erő a műtárgy helyzeti állékonyságát befolyásolja (a műtárgyat méretezni kell elcsúszás, felborulás és felemelkedés ellen). A szivárgás oldalirányban is történhet, itt szárnyfalak építésével meghosszabbítják a víz kilépési útját. A τ nyíróellenállást a következőképpen számolhatjuk:

ahol: F φ b c

G a gát súlya, a gátra ható felhajtó erő, a talaj súrlódási szöge, a gát alapozási síkon lévő hossza, a talaj kohéziója.

Hidraulikai gradiens: in: mértékadó gradiens n: a talaj textúrájától/milyenségétől függ (értékei 1 és 6 között mozognak, átlagosan: 3) A hidraulikai állékonyság megszűnése is tönkremenetelt okoz. Azonban itt a hidraulikai talajtörés, nem ugyanaz, mint az alapozásban! Minden talajnak van egy kritikus gradiense, aminél ha nagyobb áll elő akkor hidraulikai talajtörés történik.

3.3. Fix gátak 3.3.1.

Hidraulikus profilú gát

Hordalékos víznek koptató hatása van, ezért amikor éppen csak érinti a hátfalat, akkor kis koptató hatása van (15. ábra). Nagy vízhozam esetén kialakulhat egy bizonyos rángató üzemmód, amikor alul levegős, felette víz meg hordalék a vízsugár, ez nagy dinamikus igénybevételt jelent, koptató hatás nélkül. Azonban kis vízhozam esetén ráfekszik a hátlapra a vízsugár, amelynek nagy koptató hatása van.

15. ábra: Hidraulikus profilú gát

3.3.2.

Meredek hátfalú gát

A gát metszetét a 16. ábra mutatja. Gazdaságos, könnyen megépíthető.

22

16. ábra: Meredek hátfalú gát

3.3.3.

Ambursen-féle gátak

3.3.3.1. Nyitott pilléres Ambursen-féle gát A gát metszetét a 17. ábra mutatja.

17. ábra: Nyitott pilléres Ambursen vasbeton gát

3.3.3.2. Zárt pilléres Ambursen-féle gát: A gát (18. ábra) árvíz esetén búvárharangként viselkedne, ezért hogy ne ússzon fel a szerkezet átlyukasztják az acélfelületet, egyrészt, hogy az összenyomódott levegő ki tudjon jönni (lyuk fent), illetve hogy a víz be tudjon jutni (lyuk lent).

23

18. ábra: Zárt pilléres Ambursen vasbeton gát

3.4. Mozgatható gátak  tiltók: főbb méretei: 60-80 cm széles, 1 m magas; a víz szabályozását szolgálja, főleg öntözőcsatornákon alkalmazzák,  zsilipek: nagy méretű szerkezetek, tulajdonképpen mozgógátak, pl: Kiskörén a Jászsági és Kunsági-főcsatorna kieresztése; víz bebocsájtását vagy be nem bocsájtását lehet vele szabályozni (pl: árvíz esetén nem engedik be az öntözőcsatornákba a vizet),  mozgó gátak: teherviselés szempontjából nincs lényeges különbség a zsilipek és a mozgó gátak között. 3.4.1. Mozgó gátak A mozgó gátak (lásd 19. és 20. ábrákat) szerkezetük szerint lehetnek: a. b. c. d. e. f. g.

síktáblás gátak (1, 2, 3 és 4), billenő-lapos táblás gátak (5, 6 és 7), szegmens gátak (8, 9, 10, 11, 12 és 13), hengeres gátak (14, 15, 16, 17 és 18), billenő elzárótáblák (19, 20, 21, 22, 23 és 24), magas küszöbű gátak (2, 3, 9, 16, 19 és 23), tűs gátak (ábra nélkül).

24

19. ábra: Mozgatható gátszerkezetek (I)

20. ábra: Mozgatható gátszerkezetek (II)

25

21. ábra: Mozgatható kisebb gátszerkezetek (III)

A nagyobb gátak elzáró szerkezetét a 19. ábra és a 20 ábra, a kisebb gátakat pedig a 21. ábra mutatja be. Az ábrákon a számozás sorrendjében az egyes szerkezetek rövid jellemzése a következő: Egyrészes síktáblás gátak: 1. Kétfőtartós, nem süllyeszthető sík tábla acélból; a tábla fölött víz nem bukhat át, a tábla a víznyomást a pillérekre adja át a két főtartó végénél, a legtöbbször görgős szerkezettel. 2. Süllyeszthető sík tábla két főtartóval. Süllyesztéskor a tábla tetején víz bukik át, ezért a főtartókat terelőlemezzel kell védeni az átbukó víz ütése ellen. 3. Süllyeszthető szekrénytartós gát. Kevesebb az anyagigénye, mint az előbbi kettőnek, előállítási költsége azonban az íves felületek miatt költségesebb. Kétrészes síktáblás gátak 4. Kétrészes, ún. kettős kampós gát, amely alul kétfőtartós sík táblából áll, felette egyfőtartós kampós tábla helyezkedik el, amelyik az alsó táblára támaszkodik. A felső rész süllyeszthető és így a tábla fölött a víz átbuktatható. 5. Kétfőtartós sík tábla, billenő lappal ellátva. A billenő lap biztosítja a süllyeszhetőséget. A billenő lap csak korlátozott magasságig alkalmazható, mert egyébként igen nagyok lesznek a billenő lapban fellépő csavaró nyomatékok. 6. Háromövű billenő lapos gát. A háromövű főtartó, a tábla alatt átfolyó víz hatására nehezebben jön rezgésbe. 7. Zárt szekrénytartós háromövű billenő lapos gát. Szegmensgátak

26

8. Egyszerű szegmensgát. Az elzáró tábla hengerfelület, amelynek tengelye a megtámasztó karok csuklóján megy át. (Mivel az eredő erő átmegy a csuklón, így az erőtani méretezés könnyű. 9. Süllyeszhető szegmensgát, a felső szélén terelőlappal. pl.:Kisköre 10. Szegmensgát billenő lappal. 11. Kettőskampós szegmensgát. A felső kampós rész ugyanarra a csuklóra van támasztva, amelyik közül az alsó rész mozog. 12. Húzott karú szegmensgát, elvben a szegmensgát fordítottja, azonban a sík tábla kialakítása miatt a táblára ható víznyomások eredője nem megy át minden esetben a forgásponton. 13. Zártszelvényű szekrénytartós szegmensgát. Kisebb nyílásoknál szokásos, főleg akkor, ha a táblát csak egyik oldalon látják el mozgató berendezéssel. Különleges gátak 14. Egyszerű hengeres gát (a hengeres gátakat mindig egy oldalon mozgatják). 15. Csőrös hengeres gát, a henger alatt átrohanó víz okozta rezgéseket és ütéseket kizárja. 16. Süllyeszthető csőrös, hengeres gát. 17. Billenő lapos hengeres gát. 18. Pajzsos hengeres gát, a csőrös henger előnyeivel. 19. Billenő lapos gát. A Körösökön több is található, pl.: békési duzzasztó. 20. Szektorgát, magasküszöbű gát. 21. Dobos gát, amelynél a duzzasztott víz síklapra hat. 22. A dobos gátnak másik formája. Mind a kétfajta dobos gát a magasküszöbű gátakhoz tartozik. 23. Nyerges gát régebbi alakja: a két táblát a táblák alá bevezetett víz nyomása tartja a duzzasztási helyzetben. 24. A nyerges gát újabb formája, a mely a hegesztett acélszerkezetek előnyeit kihasználja. 25. Egyszerű egytáblás zsilip. Kisebb méretekben fából is kialakítható. Fülkékben fekszik fel, csúszó fémléceken vagy görgőkön. Nem süllyeszthető. Mozgatása fogasléccel történik. 26. Vízszintesen megosztott síktáblás zsilip. A felső tábla süllyeszthető. A táblás gátaknál fontos megemlíteni, hogy az alsó átbocsájtás miatt kontraháló, majd bővülő vízsugár nyaláb egy lüktető vízmozgást hoz létre, amely ha közeli a tábla önrezgésszámához, az tönkremenetelt is okozhat. 3.4.2.

Ideiglenes elzáró berendezések

A lehetséges meghibásodásokat vízmentes állapotban célszerű, illetve javítani. Ehhez meg kell oldani a gátszerkezet vízmentes zárását, ez történhet:  elzáró táblával (kétoldali horony esetén, ha kis távolságról van szó, akkor lehet fából vasalva, amúgy acéltábla),  gerendákkal,  betétgerendákkal,  Schön-bakkal (járóhíd a felső részén, a vízoldali részen víznyomás hat, a bakokat 2-4 méterenként kell elhelyezni, ami egy rendkívül veszélyes munka; 8-10 m magas vízoszlop lehet felette, ilyenkor nehézbúvárt kell alkalmazni,)

27

 betéttáblával (2 m széles, 6-8 m magas, a táblákat betonba ágyazott tüskékre helyezik rá, 2 tüske/tábla, így kevésbé veszélyes az elhelyezésük). 3.4.3.

Energiatörők

Az áramló vízmozgásból a duzzasztás után rohanó vízmozgás keletkezik, amely olyan nagy energiával bír, ami tönkretenné a medret. Ezért csillapítómedencét alkalmaznak (vízláda), illetve a további energiatöréshez a csillapítómedence végén:  küszöböt,  energiatörő fogat, illetve  energiatörő gerendát alkalmazhatnak. 3.4.4.

Pillérek A gátak megosztása pillérekkel történik, mivel a túlzottan nagyméretű gátakat nehéz lenne mozgatni. Megkülönböztetünk parti- és meder-pilléreket, a parti pillérek közül is megkülönböztetjük a jobb, illetve a bal oldali pillért. Minden szerkezeti elemnek neve van (22. ábra). A pillérnek van orra, teste és vége. A pillér mögött örvények keletkeznek, ez felkapja a hordalékot, és medermélyülést okoz. (Az örvények erősíthetik és kiolthatják egymást.) Elsősorban árvízkor van ennek jelentősége, mert ilyenkor felhúzzák a gáttáblákat.)

22. ábra: Pillér szerkezete

3.5. Folyószabályozás Megkülönböztetünk nagyvízi, középvízi és kisvízi szabályozást. A nagyvízi szabályozás a víz szétterülését akadályozza meg, ez a szabályozás főként árvízvédelmi töltés építését jelenti, továbbá a vízgyűjtő rendezését. A középvízi szabályozás az anyameder rendezését jelenti: kanyargó vízfolyások esetén pl.: azokon a folyószakaszokon, ahol a sodorvonal metszi a geometriai középpontot, ott gázló alakulhat ki. A középvízi mederrendezés módszerei: a meder bővítése, a folyó hosszának növelése (nagyon ritka eset, komoly terepakadály esetén), a folyó hosszának csökkentése. A folyószabályozás célja olyan állandósult vonalvezetésű és mederalakzatú vízfolyás létrehozása, amely a vízjárás vonatkozásában dinamikus egyensúlyban van. Dinamikus egyensúlyban lévő folyóról akkor beszélhetünk, amikor a folyó egy tetszőleges szakaszába, meghatározott idő alatt annyi víz, hordalék, illetve jég érkezik, amennyi onnan el is tud távozni. A folyó hosszának rövidítése függ a vízfolyás jellegétől, helyszínrajzi alakzatától. Be nem ágyazott medrű folyók esetén a lehető legrövidebb ág keresztmetszetének felbővítésével és a

28

többi ág elzárásával lehetséges. A meder összeszorítására törekszünk, ilyenkor figyelembe veendő, hogy a vízfolyás melyik szakasza nem változtatja az alakzatát. Beágyazott medrű folyók esetén a túlfejlett kanyart metszik át, vagyis a víz útját lerövidítik mesterségesen közbeiktatott meder kialakításával. A sodorvonal és a partok rögzítésére szolgálnak a hosszirányú és keresztirányú szabályozási művek.

3.6. Folyószabályozási művek (szabályozási elemek): Hosszirányú művek:  Partbiztosítás. A partbiztosítás rögzíti a folyó partját ott, ahol a folyópart beleesik a tervezett szabályozási vonalba, azonban a part erodálható és várható a part vándorlása. Partbiztosítást mindig a folyó homorú oldalán hajtunk végre. Pl.: szakadó part partvédő művei.  Kődepónia. Kődepóniát akkor alkalmazunk, ha a tervezett partvonal kívül esik a meglévő partvonalon – és a folyóra kívánjuk bízni, hogy a két partvonal közötti földrészt fokozatosan elmossa. A megfelelő eszközök (sarkantyú, mederlezárás) beindítják a kimosódást, a kődepóniát a tervezett partvonal fölé helyezve biztosíthatjuk, hogy ne mossa ki túlságosan a partot a folyó.  Vezetőmű. A vezetőművek a régi folyómederbe kerülnek, mindig a homorú parton és céljuk a sodorvonal vezetése a tervezett folyókanyaroknak megfelelően. Így mindig a vízbe épülnek, anyaguk általában kő vagy kavics, víz feletti részük szintén kőhányásból készült, felülete azonban sima kell, hogy legyen, hogy a zajló jég minél kevésbé tudja megbontani. Keresztirányú művek:  Sarkantyú. A sarkantyúk keresztirányban helyezkednek el a folyó sodorvonalához képest és céljuk a sodorvonalat elterelni a sarkantyú közeléből, növelni a part érdességét és ezáltal elősegíteni a hordalék leülepedését. Tengelyvonala nem áll merőlegesen a tervezett sodorvonalra, hanem a merőlegestől eltér, mintegy 12-17 fokkal, szemben a vízfolyással. A sarkantyút aszerint, hogy milyen erős mértékben van szükség a sodorvonali elterelésére, kisebb, vagy nagyobb szöggel fordíthatjuk el a merőlegestől, azonban a vízfolyással mindig szembe kell állítani. Mindig a domború oldalra kell, hogy kerüljön a sarkantyú.  Mederelzáró keresztgát. Holtágak lezárásához használjuk őket, teljes keresztmetszetben elzárja a medret az eddigi medertől.  Bekötő keresztgát. A bekötő keresztgátak a sarkantyúkhoz hasonló szerepet látnak el, csakhogy ezek teljesen a medren kívül épülhetnek és a medertől mindig a vezetőművel vannak elválasztva. Elhelyezésükre ugyanazok a szabályok vonatkoznak, mint a sarkantyúra.  Fenéksarkantyú. Gázlók rendezésénél előfordul, hogy az inflexióban mindkét oldalról alkalmazunk sarkantyút, főleg a meder közepének kimélyítésénél alkalmazunk fenéksarkantyúkat.  Fenékborda. Kisebb magasságú fenéklépcső. Kialakítása egyszerű, elő- és utóburkolat szükséges, ezt kőszórással a legegyszerűbb megoldani.

29

A folyószabályozási műveket a 23. ábra mutatja be.

23. ábra: Folyószabályozási művek

A vezetőművek helyének és mélységének eldöntésénél abból kell kiindulni, hogy a szabályozási vonal hogyan illeszkedik az adott partvonalhoz. Amikor a szabályozási vonal a meglévő parttól kijjebb esik, akkor a homorú oldalon vezetőművet, amikor pedig arra illeszkedik, partvédőművet kell tervezni. A vezetőműveket általában a középvíz-szabályozásra mértékadó vízszint magasságában kell kiépíteni, a kanyarulatok homorú oldalán, a kanyart határoló két átmeneti szelvény között. Amikor a szabályozási vonal a meglévő parttól kijjebb esik, akkor a homorú oldalon vezetőművet, amikor arra illeszkedik, partvédőművet kell tervezni. A keresztirányú művek célja a meder összeszorítása, a víz terelése, a feliszapolódás elősegítése. A bekötő keresztgátat a vezetőműnek a partba való bekötésére alkalmazzák. A mederelzáró keresztgátat mellékágak lezárására alkalmazzák. Sarkantyúkat a domború parton szükséges alkalmazni a meder szűkítésére, illetve a víznek a sodorvonal felé való terelésére és feliszapolódás elősegítésére. Iszapoltató műveket építenek a fő vízfolyásokból kirekesztett mederszakaszok feliszapoltatására vagy folyószabályozási művek beépítése előtt a nagy medermélységek csökkentésére. A fenékborda mederszakaszok mélyülési folyamatainak meggátlására szolgál.

4. A vízerő-hasznosítás alapjai Hagyományos energiaforrásaink gyorsuló mértékben fogynak, hiszen áramszükségletünk folyamatosan nő (egyre több elektromos áramot használó készülékünk van, a komfortfokozat növekedésével). Eleddig az emberiség energiaellátásának nagy része szénhidrogénekkel (kőolaj, földgáz), szénnel (feketekőszén, barnakőszén, lignit) és uránnal történt, tehát a föld mélyéből nyert ércekkel, ásványokkal és ásványolajjal. Szükséges felkészülni arra, hogy mindezek véges mennyiségben állnak csak rendelkezésre és a bányák, olajmezők ki fognak fogyni.

30

Figyelmünket a megújuló energiaforrások felé kell fordítanunk! Azonban meg kell vizsgálnunk a kérdést, hogy mit tekinthetünk megújuló energiaforrásnak. Fúziós energia – nagy reményeket fűzünk hozzá, de egyelőre sokkal nagyobb befektetéssel jár, mint amennyit ki tud termelni. (Egyelőre így nem mértékadó) Geotermikus energia –Nagy mennyiségben rendelkezésre áll, de nagyon-nagyon drága (a haszonnak a háromszorosa a visszajuttatás). Szélenergia – az országban főleg a nyugati részen kiaknázható, de csak az 5-25 m/s-os szélsebesség intervallumba tartozó szeleket tudjuk hasznosítani. Lükető módon érkezik, de állandó fordulatszám kellene, hogy tartsa a szükséges 50Hz-et. Az így megtermelhető energi mennyisége relatíve kicsi. Vízenergia – Magyarországon a vízierő nem éri el az 1%-ot a teljes energia-előállításból. (Míg ez a szám Ausztriában 65%, és Norvégiában és Svédországban 100% körüli.) Fontos jellemzője a vízenergiának, hogy nincs emisszió, illetve nem gátolja a víz további felhasználását, sőt a vízi élőlények szempontjából előny, ugyanis a vízlépcsőn való átbukáskor a víz feldúsul oxigénnel. A vízenergia felhasználása súrlódási energia hasznosítását jelenti, így a cél a víz súrlódási veszteségének csökkentése. Világszerte uralkodóvá vált az elgondolás, miszerint nemcsak a nagy folyók energiáit lehet kihasználni, hanem a kis folyókét is ki kell, és a törpe vízierőművek is nagy hasznot hozhatnak. (Régen is hasznosították a vizek energiáit, csak akkor még mechanikusan pl: vízimalom vagy fűrésüzem.) Ugyanakkor fontos lenne, hogy egy ország önmaga számára állítsa elő a szükséges energiát, hiszen már országoktól való energiafüggősége így minimális, mivel nem szorul importra, ezáltal csökken a függősége.

4.1. A vízerő-hasznosítás lehetőségei A súrlódási energia, vagy mederellenállási veszteség csökkentésére két mód van:

24. ábra: Súrlódási munka csökkentése duzzasztással

1./ Az áramlási sebesség csökkentésével (v0> v1), vízmélység megnövelésével (H vízszint különbség) pl.: duzzasztómű, völgyzárógát (24. ábra).

31

25. ábra: A súrlódási munka csökkentése üzemvízcsatornával

2./ A vízszállításhoz szükséges esés csökkentésével (üzemvíz csatornával). (Az üzemvíz csatorna, egy a természetes vízfolyásnál kedvezőbb hidraulikai és mederérdességi viszonyú csatorna.) Hidraulikailag kedvezőbbé tehető a csatorna pl.: csészeszelvény kiépítésével, meder burkolásával (25. ábra).

4.2. Vízerőkészlet elmélet

26. ábra: Vázlat az elméleti vízerőkészlet számításához

A vízfolyásnak azt a szakaszát, melynek hidraulikai viszonyai a hasznosítás során megváltoznak a vízi energia szempontjából kihasznált folyószakasznak nevezzük. A kihasznált folyószakasz energiatartalmát a felső- és az alsó végpontja (első és második szelvény) közötti energiatartalom különbségeként határozhatjuk meg. A felvett hasonlító sík általában a második szelvény fenékpontját metsző vízszintes, ahogy azt a 26. ábra is mutatja. A szelvényenként rendelkezésünkre álló energia az 1 másodperc alatt lehetőség szerint nyerhető energiamennyiség, melyből a felső szelvényhez tartozó Q vízhozam energiatartalma: ,

míg

az

alsó

szelvényhez

tartozó

Q

, így az elméletileg hasznosítható teljesítmény:

32

vízhozam

tartalma:

[kW]. Azonban a teljesítmény csak akkor hasznosítható, ha valamilyen turbinát megforgat, amelyből mechanikus energia keletkezik, vagy a továbbiakban generátorral összekapcsolva elektromos áramot termel. ( turbina hatásfoka, : generátor hatásfoka) [kW] (Ezt közelíthetjük

esetén

-val.)

Azonban ez még nem jelenti azt, hogy a vízerőt hasznosítani fogják, ugyanis a továbbiakban össze kell hasonlítani a költségeket más energiahordozók használatával kitermelhető energiával, ezt nevezik gazdaságilag hasznosítható vízerőkészletnek. (Pl.: Anno az olajárrobbanás teljesen átrendezte az energia piacot, lehetséges, hogy volt olyan vízerő, amit előtte nem érte meg kiaknázni, míg utána már nagy jelentősége lett.)

A vízfolyások vizsgálata során több tényezőt is figyelembe kell venni: Vízhozam (Q) lehet a legkisebb, közepes stb. Vízhozam-tartósság lehet egy évre vonatkozó, vagy hosszabb időre (nemzetközi megállapodás szerint hosszabb időszakot kell figyelembe venni) Teljesítmény tartóssági görbe – hosszú időszak /minimum 10, inkább 40-50 év/ (A beruházóknak fontos tudni mi történik, ha száraz periódus adódik!) A vízerőtelepek méretezéséhez vízerő-gazdálkodási terv készítése szükséges.

4.3. A teljesítménygörbe szerkesztése A becslésszerű vízerő-gazdálkodási terv készítéséhez legalább 10 éves időtartamot kell vizsgálnunk. A teljesítményábra szerkesztése a következőképpen történik (27. ábra): 1. Derékszögű koordináta-rendszer vízszintes tengelye a tartósság lesz, így 365 nap hosszú lesz. (0-tól 365-ig, ahol 0 a soha elő nem forduló eseménynek felel meg, míg a 365 napos előfordulás az év minden napjára igaz) 2. Függőleges tengelyei megfelelő beosztással: vízhozam (Q), hasznos esés (H) és teljesítmény (P). 3. Megszerkesztjük a hasznos esés görbét. 4. Megszerkesztjük a vízhozam-tartóssági görbét. 5. A Hi és Qi összetartozó értékpárok alapján a összefüggést felhasználva megkapjuk a teljesítménygörbe egy pontját. 6. Ezt az év minden napjára kiszámítjuk, így megkapjuk a vizsgált időszak teljesítmény görbéjét.

33

27. ábra: Teljesítménygörbe szerkesztése

A turbinákra engedett vízhozam nagysága függ attól, hogy tározás nélkül, vagy tározással oldjuk meg a vízátbocsájtást:  Csak egy vízerőtelep (nincs tározás), így ami jön, az azonnal át is megy ezen a vízerőtelepen. Probléma: a teljesítmény nagyon hektikusan változik, és nem szeretik az üzemvitelesek.  Medertározás, pl.: Tiszalök  Nagy tárolótér van, pl.: Kisköre Ezáltal sokkal kiegyenlítettebb energiaszolgáltatás, mivel viszonylag egyenletes vízhozamot lehet produkálni. Amennyiben a tározás minimális, akkor 25 és 40% között van a megfelelő tartóssági tartomány. Kiépítési vízhozam (Qt) az a legnagyobb vízhozam, amelyet a vízerőtelep turbinái együttesen teljes nyitás mellett nyelni tudnak. (Ha Q < Qt a teljes érkező vízhozamot képesek nyelni a turbinák, míg ha Q > Qt akkor a turbinák már nem képesek nyelni az érkező vízhozamot – ilyenkor a duzzasztóművön keresztül folyik át a felesleges vízhozam.) Szerkesztési esés (Ht) az a legkisebb esés, amelynél a teljesen nyitott turbina az előírt fordulatszámmal éppen a kiépítési vízhozamot nyeli. (Előfordul, hogy a kiépítési vízhozamot Qk-val, míg a szerkesztési esést Hsz-szel jelöljük.) A szerkesztési esésnél kisebb esésnél a turbina már nem nyeli a kiépítési vízhozamot, így a turbina hatásfoka is romlik. Ezért a szerkesztési esésnél kisebb esés esetén redukált esés értékekkel (Hr) kell számolni: . Qt-t konstansnak feltételezzük, így

.

Ezzel az összefüggéssel megszerkeszthető a valóságos állapotokat jobban tükröző teljesítmény görbe.

34

4.4. Vízi erőművek osztályozása 4.4.1.

Hasznosítható esés szerinti osztályozás: H

<

15 m

kicsi

<

50 m

közepes

15 m

<

H

50 m

<

H

nagy

Ez az osztályozás a nálunk járatos méreteken alapul, hiszen pl: Ausztriában van 600-800 méteres hasznosítható esés, és ők másfajta osztályozást használnak. Továbbá ez az osztályozás a szerkezeti elemek és hidrológiai elemek méretezésénél fontos, mivel a szabályzatok a különböző kiépítettséghez mást és mást írnak elő (pl: helyzeti állékonyság, földrengés). 4.4.2.

Teljesítőképesség szerinti osztályozás: Törpe

P

<

0,1 MW

Kis

0,1 MW

<

P

<

10 MW

Közepes

10 MW

<

P

<

100 MW

Nagy

100 MW

<

P

A vízenergia hasznosítása nem korlátozódik csupán a vízfolyásokra, hanem tengerek, tavak esetében az áramlások, az árapály (pl.: Franciaország) és hullámerőművek esetén a hullámzás energiájának hasznosítás lehetséges. A hullámerőművek csupán mostanában kezdenek terjedni, ezeket kismértékben árapályerőműként is fel lehet használni. (Minimum 1,6-1,8 méter szintkülönbség kell, hogy a turbina megforduljon a saját tengelye körül – Kaplan-turbina.) 4.4.3.

Energiatermelés jellege szerinti osztályozás:

Alaperőművek:

Csúcserőművek:

Atomerőmű

Vízerőmű és szivattyús energia tározó

Hőerőmű – van egy hő tehetetlensége Gázerőmű (állandó energia forrás)

Gázerőmű (csúcsenergia üzem módban)

A napi áramfelhasználás az ivóvízhasználathoz hasonlóan nem egyenletes egy napon belül, így szükség van olyan erőműre, amely nemcsak egyenletesen tud áramot szolgáltatni (alaperőmű), hanem a csúcsidőszakokban az alaperőműveket kiegészítve „csúcsra járatva” képes a hirtelenjében jelentkező nagy áramigényt kielégíteni (csúcserőmű). Naponta két csúcsidőszak van (reggeli és esti). Az alaperőművek közé tartoznak a hőerőművek, melyek nem nagyon tudnak se lecsengeni, se felfutni teljesítményben, az atomerőművek ugyanígy (megpróbálták csúcserőműként hasznosítani ezeket ld.: Csernobil) A vízerőművek csúcsra járatása 2 és 8 perc közötti időszak is lehet (mindazonáltal a természet védelme érdekében ennél lassabb beindítást javaslunk). A tározótérben a zárás közben gyűjthető a víz, melyet később ráengedünk az erőműre.

4.5. Folyami vízerőművek elrendezései A vízerőtelep fő műtárgyainak (vízerőtelep, duzzasztómű, hajózsilip) egymáshoz viszonyított elrendezése szerint a következő főbb folyami vízerőmű típusokat különböztetünk meg (28. ábra):

35

Egységes elrendezésű (a) Ikerelrendezésű (b) Sziget (c) Pillérerőmű (d) Egységes elrendezésű de mederbővítéses pl.: Tiszalök Jellemző alkalmazásaik: Sziget: két állam határán Iker: közös érdek, hogy azonos módon működtessék Pillér: nagyon széles, árvíz idején gondot okoz

28. ábra: Folyami vízerőművek általános elrendezése

Amennyiben az energiahasznosítás a fő cél, akkor vízerőműnek nevezzük, míg ha többi funkciója fontosabb, akkor vízlépcsőnek. (A kívülállók számára mindegy, de nekünk nem!)

4.6. Folyami vízerőművek A folyami vízerőművek általános metszetét a 29. ábra mutatja. Az ábra szerint fő részei:  Előcsatorna  Gereb  Küszöb  Ideiglenes elzárás  Turbinazsilip  Turbina  Csigaház  Szívó csatorna  Elzáró berendezések

36

29. ábra: Kis- és közepes esésű vízerőtelep metszete

37

4.6.1.

Előcsatorna

Az előcsatorna feladata a víznek a csigaházba vagy a csőturbinára való vezetése. Itt helyezik el a víz elzárására szolgáló szerkezeteket is. Az előcsatorna a belépési szelvénytől a csigaházig, illetve a turbinakamráig tart. Fő részei: a küszöb, a gereb, a turbinazsilip és az ideiglenes elzárás. 4.6.1.1. Küszöb A küszöb feladata, hogy a fenék közeli hordalékot visszatartsa. A gerebnél található, hamar feltelik. (Hordalék: lebegtetett vagy görgetett általában homok vagy kavics.) A hordalék visszatartására azért van szükség, mert a turbinalapátokat a hordalék összetörheti, illetve deformálhatja. 4.6.1.2. Gereb A gereb a jégnek, uszadéknak (elhullott állat, mederből, hullámtérből érkező fák, ágak) a bejutását hivatott megakadályozni. A gereb ferde állású (65-85° hajlású), hogy a gereb tisztító hatékonyan tudja megtisztítani. A gereben felgyülemlő uszadékot gereb tisztító berendezéssel lehet eltávolítani, így a gereb tisztítónak képesnek kell lennie a rárakódott jégkása, és jégtáblák eltávolítására is. Ez egyszerűbb gerebek esetén a tisztító lehet gereblye is, de van gépesített gereb tisztító berendezés is, ami egészen a gereb aljáig lenyúlik, onnan felhozza az összes uszadékot, és eltávolítja a víz útjából. 4.6.1.3. Turbinazsilip A turbinazsilip a gyors elzárást szolgálja, hogy ne pörögjön túl a turbina (a fordulatszáma ne lépje túl a megengedettet) a vízhozam változása esetén. A túlpörgés ugyanis több problémát is okozhat: a) a generátoron időben változó fordulás jön létre (össze-vissza értékű áramot generál: ingadozik – nem 50 Hz-es a frekvencia), b) a centrifugális erőt a turbina alatti részen nem bírja a szívócsatorna, vagy pl. leszakad egy elektromos kábel, akkor 60-80 másodperc alatt lezárható legyen, míg a turbina szépen lassan álljon meg (10-15 perc). Ideiglenes elzárásként is használjuk a turbinazsilipet, pl.: ha javítás esetén száraz turbinát szeretnénk. 4.6.1.4. Csigaház A csigaház funkciója az előcsatornán (amely nyílás sokkal nagyobb a turbina körüli nyílásnál) beömlő víz szétosztása és egyenletes rávezetése a turbinára. Nagyobb erőművek esetén alakja logaritmikus spirál. A támlapátoknak csupán statikai funkciójuk van: megtámasztják a csigaház felettük lévő részét. Mellette mozgatható vezetőlapátok találhatók, melyek szintén a víz útját és mennyiségét igyekeznek igazgatni, a minél nagyobb hatékonyság érdekében. 4.6.2.

Turbina

A 29. ábrán vastagvonallal látható a turbinatengely, amelyen lóg a turbina, amelynek alsó részén láthatók a szárnylapátok. A turbinatengelyt függőlegesen tartják. A turbinák két fő csoportba oszthatók: akciós (szabadsugarú) és reakciós (réstúlnyomásos) turbinák. 4.6.2.1. Reakciós turbinák 4.6.2.1.1. Szárnylapátos turbinák A szárnylapátos turbinákra ráömlő víz sugárirányban érkezik a turbinákhoz és a turbina járókereke előtt derékszögbe fordulva átfolyik a járókerekek között és a turbina tengelyének irányában jut a szívócsatornába. Szárnylapátos turbinák a rögzített járókerekű 38

propellerturbina és a mozgatható járókerekű Kaplan-turbina (30. ábra). A Kaplan-turbina kis teljesítményű és a lapátozása nem fix, hanem változtatható szögű. (Egy brünni professzor találta fel 1916-ban.) Kevesebb vízhozam esetén állíthatunk a vezetőlapáton és a turbinalapátok szögein is. A csőturbinát is ide soroljuk, ez a turbinafajta vízszintes elrendezést tesz lehetővé. A csőturbina előnyei között említhetjük, hogy a turbina járókerekére érkező víz csaknem egyenes, kisebb alapozási mélységgel épülhet, sőt a műtárgy magassága is csökkenthető. A Kaplan- és a csőturbinát a változó vízjárású, kisesésű vízfolyásokon építik.

30. ábra: Kaplan-turbina

4.6.2.1.2. Rekeszes turbinák A Francis-turbina (31. ábra) a legősibb turbinák egyike (1842). Állandó lapátozású a turbina, így a változó vízhozam nem optimális. A lapátozás szöge tehát nem állítható, de a kedvezőbb hatásfok elérésére fejlesztettek lassan, közepesen és gyorsan futó turbinatípusokat (a különbség a lapátok hajlásszögében van). A Francis-turbinát közepes esésű, kiegyenlítettebb vízjárású vízfolyásokon építik.

31. ábra: Francis-turbina

39

4.6.2.2. Akciós turbinák A Pelton-turbina (32. ábra) a víz kinetikai energiáját hasznosítja. A nagy eséssel érkező víz a fúvókába jut, melynek nyílását szabályozó tűvel lehet változtatni. A nagysebességű víz közvetlenül a kagylószerű lapátra érkezik, ahol mintegy 180°-os irányváltozást szenved. (Pelton találta fel 1890-ben.)

32. ábra: Pelton-turbina

4.6.3.

Az energiaátalakítás berendezései

A forgó részek közé tartozik a rotor, amely a turbinával azonos tengelyen foglal helyet, a rotor szélén elektromágnesek vannak, amelyek mozgása a fixen elhelyezett tekercsek mellett áramot indukál. (Egyenáramú motor mágnesezi be az elektromágnest.) A gépház kétoldali konzolos részén helyezik el a darut, amelyen a futómacskával tudják a nagyobb szerkezeti részeket mozgatni. 4.6.4.

Szívócsatorna

A szívócsatorna célja, hogy a turbinából kilépő vizet az alvíz felé vezesse, továbbá hasznosítsa a kavitációs magasságot. Kavitációs magasságnak nevezzük a járókerék és az alvízszint közötti magasságkülönbséget. A szívócsatorna a járókeréktől kezdődően fokozatosan bővül. Kezdeti keresztmetszete kör, ami négyszögszelvénybe megy át. A szívócsatorna illetve a turbina magasságának helyes meghatározásával megfelelően kell védekezni a kavitáció jelensége ellen. 4.6.4.1. Kavitáció Az abszolút nyomás nagymértékű csökkenése következtében a folyadéktér belsejében gőzbuborékok keletkeznek. A keletkező buborékot a nagysebességű víz a telített gőz nyomásának többszörösére emelkedő nyomású térbe sodorja. Ennek során a lökésszerű nyomásnövekedés a buborékot összenyomja. a buborék összeomlása a turbinák szerkezeti anyagát, valamint a beton felületét is mechanikusan szétroncsolja, teljesen porózussá teszi.

40

Kavitáció során rezgések is kialakulhatnak, melyek a betonszerkezetre dinamikus fárasztó igénybevételként hatnak. A szívócsatorna megfelelő kialakításával a veszélyt csökkenteni lehet. A kavitációs magasságot (hs) a következőképpen számíthatjuk: [m], ahol B: tengerszint feletti magasság H: alvíz- és felvízszint közti különbség [m] : kavitációs tényező (táblázatból) Így hs maximumát kapjuk meg, amely akár negatív szám is lehet, amelytől már csak lefelé térhetünk el, felfelé nem. 4.6.4.2. Ideiglenes elzárás A szívócsatorna alsó részén ideiglenes elzáró berendezés található a szárazon szerelés érdekében.

4.7. Nagyesésű vízierőművek A nagyesésű vízierőműveket (melyeknek a jellemző turbinájuk a Pelton-turbina) három fő csoportba oszthatjuk:  Üzemvízcsatornás  Nyomóalagutas  Völgyzárógátas Főleg a nyomóalagutas vízierőművek esetén előfordulhat, hogy a nagy szintkülönbség esetén, ha hirtelen levágjuk a víz útját, akkor lökéshullám keletkezik (akármikor szükség lehet felső vagy alsó elzárásra). Ezt hívjuk kosütésnek. A következőképpen alakul ki: amennyiben a cső v sebességgel mozgó víz mozgását a csővég hirtelen lezárásával lelassítjuk, akkor annak tömegében ébredő impulzus erő Δp nyomásemelkedést okoz, amely arányos a sebesség változásával. A nyomócsőben hirtelen fellépő nyomás értéke a képletből számítható, ahol hw az 1 másodperc alatt lelassított folyadék nyomásemelkedése, v a folyadék eredeti sebessége, w0 pedig a

képlettel számítható. Ebben a képletben Er a rugalmas csőbe zárt

folyadék redukált rugalmassági tényezője, ρ pedig a folyadék sűrűsége. A w0 rugalmatlan csőfal esetén kb. 1400 m/s. Ezt a hatalmas többletnyomást nem képes elviselni a vezeték vagy a turbinazsilip, így ezt a hatást kiegyenlítő medencével, illetve a zárási sebesség csökkentésével mérséklik. A kiegyenlítő medencét a nyomóalagút és a meredek nyomócső találkozásánál épül.

4.8. Szivattyús energiatározók Olcsó vagy felesleges energia esetén a vizet egy felső tározóba emeljük fel, majd nagyobb energiaszükséglet esetén a vizet leengedjük, és áramot termelünk (33. ábra). A motorgenerátor és a turbina között felcserélhető a feladat.

41

33. ábra: Szivattyús hidraulikus energiatározó elvi vázlata

5. Ármentesítés Az árvízmentesítés célja a vízfolyások középvízi medréből kilépő víz szétterülésének megakadályozása, a víz levezetésének biztosítása, a védendő területen az élet- és vagyonbiztonság megteremtése. Ezzel szemben az árvízvédelem célja az árvízmentesítés során kiépített árvízvédelmi művek védőképességének árvíz idején történő megóvását és növelését szolgáló tevékenység. Árvízvédelmi művek alatt értjük a térszín alatti és feletti létesítményeket, amelyek az árvíz kártételei ellen közvetlen vagy közvetett védelmet szolgáltatnak.

5.1. Árvízmentesítés és árvízvédelem fejlődése Magyarországon Magyarország területe 93030 km2, míg lakossága 10 millió fő. Az időjárása meglehetősen változó, a csapadék mennyisége 300 és 1000 mm között mozog évente, melynek jelentős része párolgás útján távozik. Az ország jelentős területét az agrárium hasznosítja, melynek vízpótlásra is szüksége lehet (aszályos időszakban), ez az öntözés. Magyarországra 3600 m3/s-os vízhozam érkezik külföldről, ehhez képest csupán 180 m3/s vízhozam keletkezik, és mindezek jó karbantartására kell időt és pénzt fordítani. A probléma általában a külföldről bejövő vizekkel van (pl.: Rába), hiába van nemzetközi egyezményekben meghatározva, hogy milyen vizeket vagyunk kötelesek eltűrni (ez alatt főleg vízminőségbeli korlátozásokat értünk). A vizek mennyiségével két probléma lehet: vagy túl sok, vagy túl kevés. Az árvizek által érintett területek: kb. 22000 km2, és kb. ugyanennyi a belvizek által érintett terület. Az árvízvédelmi vonalak: kb. 4200 km hosszú védvonalak, mintegy 2,5-3 millió ember él ártereken, nem beszélve a nemzeti jövedelem jelentős részét termelő gyárakról /utakról/vasutakról/nemzeti parkokról. 5.1.1.

Árhullámok kialakulása

Az árhullámok kialakulásának két módja van: csapadékból, melynek előrejelzése elég megbízható illetve hóolvadásból. A hóolvadás előrejelzése nehézkes, olyan tényezőket kell figyelembe vennünk, minthogy milyen szinten (magassági) van a hó, ami megolvadhat, milyen vastag a hótakaró, honnan jön a meleg, ami az olvadást okozza, érkezik-e vele egy időben

42

csapadék (ilyenkor elmarad a beszivárgás, csak lefolyás lesz, és a hó is gyorsabban olvad). Kisebb vízfolyások vízgyűjtő területén a nagy csapadékok szoktak árvizet okozni, sőt az árhullámok akár egymásba is futhatnak, ilyenkor még magasabb lesz az árvízszint. Amennyiben az árvízvédelmi töltés koronaszintje nem elég magas, az árhullám ezt meghaladó víztömeget hoz, amely átzúdulhat a mentett oldalra, mely komoly problémákat okozhat (árvízi elöntés). Az árvíz elleni védekezésben nagyon nagy szerepe van az előrejelzésnek (ehhez megfelelő matematikai apparátusra van szükség), melyből meg tudhatjuk, hogy mikorra ér adott helyekre a víztömeg, így kiderül, mennyi idő áll rendelkezésre az adott területen a védekezés előkészítésére. 5.1.2.

Híres/hírhedt árvizek

1838. március, jeges árvíz a Dunán, Budapest nagy része károsodott (Wesselényi Miklós, az árvízi hajós). 1879. tiszai árvíz, Szeged nagy része elpusztul, ekkor épül meg az új belváros. A jeges árvizek kialakulása azon okra vetíthető, hogy a vízfolyás egy szakaszán (általában kanyarban) megreked a jég, akár teljes szelvényben átfagy a víz, mely ezek után egy természetes duzzasztóként működik: emelkedik a vízszint a mögötte lévő területen, ebből hatalmas árvíz keletkezhet. Így jeges árvíz ellen csak folyószabályozási tevékenységgel védekezhetünk, töltés magasítással nem. A jégdugók kialakulását ezen kívül időlegesen megelőzhetjük jégtörő hajók üzembe állításával. 5.1.3.

Az árvízmentesítés feladatai

Az árvízmentesítés feladata az elöntés megakadályozása (jelenleg 1,8 milliárd ha termőföldet, útjaink 15%-át, vasútjaink 30%-át veszélyeztetheti árvíz). Amíg a víz az anyamederben van, azt nem nevezzük árvíznek! A probléma akkor kezdődik, amikor az anyamedret elhagyja a víz, így árvízi elöntés keletkezik, mely veszélyezteti az adott térséget. Ennek elkerülésére árvízvédelmi gátakat építenek, a gátak kétfelé tagolják az árteret: hullámtérre (azaz nem mentesített ártérre) és mentesített ártérre. A folyószabályozások során a vízfolyást lerövidítik, így gyorsabb lesz az árvíz lefolyása. A vízgyűjtő területen a víz összegyülekezését lassítani kell, míg a folyóban a lefolyást gyorsítani. 5.1.4.

Az árvízvédekezésre rendelkezésre álló módszerek

5.1.4.1. Elgátolás Elgátolásnak hívjuk az árvízvédelmi töltések építését. (Ennek során a töltések vonalvezetésének a sodorvonalat kell követni, illetve a terepadottságokat ki kell használni.) 5.1.4.2. Árapasztó csatornák építése Erre akkor van lehetőség, ha nem túl nagy távolságra fekvő vízfolyásokról van szó és a vízgyűjtőikre nem azonos időpontokban hullik csapadék, így a későbbire átjuttatható az árhullám. Ehhez megfelelő adottságokra van szükség, főleg ha oda-vissza vezetésről lenne szó. A megoldásra egy példát a 34. ábra mutat (Rába-Répce árapasztó).

43

34. ábra: Rába-Répce árapasztó

5.1.4.3. Vízmegosztás Árvíz megosztás esetén a veszélyeztetett helyről egy kevésbé veszélyes helyre vezetik a vizet. Az érkező A víztömeg, így A1 és A2 víztömegre bomlik szét (lásd 35. ábrát). Megfelelő terepadottságok (esés) szükségesek. (pl.: Bécs – megkerülő csatorna építésével)

35. ábra: A vízmegosztás elméleti sémája

5.1.4.4. Tározás Az ilyen árapasztó tározók nagyon rövid idő alatt megtelnek, azonban ha több ilyen is van, akkor az árhullámok összegződése csökkenthető, elkerülhető. Általában bejövő vízfolyásokon alkalmazzák. Az árvízvédelmi töltések tönkremenetele ellen vésztározók kialakítása lehetséges. Ez akkor történik, amikor az árhullám szintje meghaladja a töltés szintjét, ilyenkor egy nem túl értékes mély fekvésű résznél a töltést át kell vágni, ezzel megcsapoljuk az árhullámot és időt nyerünk a lejjebbi értékesebb területek védelmére. 5.1.4.5. A lefolyási viszonyok javítása Ez a hullámtér karbantartását jelenti (az áradások miatt a megfelelő talaj és a természetes vízpótlás megoldott, emiatt a növényzet elburjánzik, ami lassítja a lefolyást, ami megemeli a vízmagasságot). Az elmúlt 10-15 év során a következő szakmai vita folyt az árvízvédekezés kapcsán: melyik a jobb megoldás: a gátak magasítása vagy a hullámtér lefolyásának gyorsítása (ezzel kapcsolatban a környezetvédők ellenállásába ütközött a vita: legyenek zöld folyosók a hullámtéren!).

44

5.1.5.

Az árvízmentesítés művei

5.1.5.1. Árvízvédelmi vonal Az árvíz szétterülését megakadályozó természetes vagy mesterséges alakzat. Pl.: duzzasztó, zsilip, természetes magaspart, árvízvédelmi töltés. 5.1.5.2. Árvízvédelmi töltés Az anyameder helyszínrajzi alakzatát nagy vonalakban követő, az árvízi sodorvonalhoz igazodóan a vízfolyás mindkét oldalán vezetett, rendszerint talajból épült töltést nevezzük árvízvédelmi töltésnek vagy árvízvédelmi gátnak. (Szabatosan: a gát merőleges a vízfolyásra és elzárja a víz útját, például völgyzáró gát. A töltés párhuzamos a vízfolyással és megakadályozza a víz szétterülését.) A töltés alatti talajt figyelembe kell venni (gond lehet a szivárgás). A töltés koronaszintjét 1%-os valószínűségű árvízre kell méretezni (100 éves visszatérési idejű árvíz – ez ugyan könnyen félreérthető, mivel a matematikai statisztika nem mondja meg, hogy mikor következik be a baj). Az 1%-os valószínűséghez tartozó árvízszinttel, plusz a hullámverési magassággal és az előírt biztonsággal Továbbá figyelembe veendő, hogy nem mindegy milyen területet önt el az árvíz, emiatt Budapest nagy része nem 1%-os valószínűségű, hanem 0,1%-os előfordulási valószínűségű árvízre van méretezve – pl.: a rakpartok; a szél és az ebből adódó hullámzás miatt 120-150 cm biztonsági sáv szintúgy rendelkezésre áll. Előfordulnak olyan esetek, hogy más funkciójuk is van az árvízvédelmi töltéseknek, ilyen pl.: a 6-os számú főút. 5.1.5.3. Nyári gát A hullámtér egy részének az elkerítésére szolgál, de csak bizonyos magasságú vizektől véd, alacsonyabbnak kell ugyanis lennie az árvízvédelmi töltésnél. A hullámtérben lefolyási akadályt képez. 5.1.5.4. Körtöltés Akkor fordul elő, ha nincs rá fedezet, hogy a vízfolyás teljes hosszán védekezzünk, és olcsóbb csak a településeket vagy az ipari területeket védeni.(Pl.: a Bodrog tájékán) 5.1.5.5. Lokalizációs töltések Amikor az árvízvédelmi töltést meghágja a víz, ez a töltéstől távolabbi 1-2 m magas töltés védi a környék településeit. (Ugyanis egy ház tönkretételéhez nem szükséges, hogy a víz belépjen a házba, az idő alatt, amíg a talajból kiszorítja levegőt felnyomhatja a padlót.) A lokalizációs töltésekből rendelkezésünkre állhat első-/másod- illetve akár harmadrendű töltés is. Ezért céljuk: az adott területen a kiöntés által veszélyeztettek megóvása (ezért nem túl magas). 5.1.5.6. Hullámtéri véderdő A hullámtéri véderdő a hullámtér védelmére szolgál. Az árvízi helyzetben a hullámteret kitöltő vízfolyáson a szél meghajtási hossza megnő, így nagyobb hullámokat generál, a hullámok pedig a rézsű felületre rácsapódva problémákat okozhatnak. Az árvízvédelmi töltés mellett azonban 10 m hajózható csatornának kell maradnia (csónakkal megközelíthető legyen vízoldalról a töltés), tehát a töltéstől valamelyest messzebb vizet jól tűrő facsoportot kell telepíteni. A véderdőnek nemcsak a hullámokkal szembeni védelme a fontos, hanem a jégtáblák, ha nekifutnak a töltésnek, szintén nagy károkat okozhatnak, a véderdő ettől is megvéd.

45

6. Árvízvédelem Előfordulhat, hogy a természetben előforduló kedvezőtlen jelenségek egymást erősítő egybeesése következtében olyan magasságú árvíz keletkezik, amelyre a töltések nincsenek méretezve. Ilyenkor olya védekező munkálatokra van szükség, amely a fenyegető árvízkatasztrófát elkerülhetővé teszi. Az árvízvédelem két fontos eleme a megelőzés és a védekezés. A megelőzés a vízgyűjtő területen való okszerű mezőgazdasági és erdészeti tevékenységgel kezdődik (vízgyűjtő rendezés és karbantartás). Az árvíz visszatartása megelőzéssel és tározók építésével lehetséges. Az árvíz gyors levezetéséhez hozzájárul még télen, hogy a jégtorlaszok képződését elkerüljük (ezt folyószabályozási munkálatokkal érhetjük el pl.: kanyarok átmetszése, szűkületek felszámolása, lefolyási akadályok eltávolítása). A megelőzési munka része továbbá a töltések megerősítése, magasítása, illetve a gátfelület karbantartása (pl.: kaszálás). A védekezés a következők elkerülését szolgálja: töltés meghágás, hullámverés, átázás, csúszás, töltés alatti talajtörés. Ezek ellen a védekezés a töltésmagasítás, szelvénybővítés, anyagcsere (ha nem megfelelő az anyag). 6.1.1.

Az árvízvédelmi töltések

6.1.1.1. Altalaj és talaj kiválasztása Általában a kötött talajok felelnek meg a céljainkra, mert nem jó vízvezetők. Amennyiben mégis szemcsés talajokat vagyunk kénytelenek alkalmazni, akkor külön vízelzárást kell alkalmazni (pl.: agyagmag). A töltésépítés során kerüljük a szerves talajokat, a szikes talajokat vagy például a folyós homokot. Mindemellett helyi anyagnak kell lennie, mivel nagyon nagy a földmunkamennyiség, amit el kell végezni, amelyet nagyban megdrágítana a szállítás. A legnagyobb probléma mindig az, hogy felelősséggel eldöntsük, mik az alapadatok a talajmechanikai vizsgálatokból, vagy azok nélkül. Ezen kívül ismerni kell az anyagi és műszaki vonzatát is és ismerni kell a lejátszódható jelenségeket. 1. A fedőréteg vízvezető-képessége lényegesen kisebb legyen, mint az alatta lévő rétegé (ami általában valami szemcsés talaj). 2. Felhajtó erő fog hatni a töltésre, aminek ellen kell állnia, sőt felhajtó erő fog hatni a fedőrétegre a mentett oldalon (ha nem elég vastag a fedőréteg, akkor rétegfelszakadás lehetséges (az alulról felfelé ható nyomás meghaladja a lefelé ható súlyerőt) 3. A víz a 36. ábra szerint szivárogni fog. Káros szivárgás esetén a töltés anyagára jellemző k és az alapként használt talajra jellemző k együttható ismerete fontos. 6.1.2.

Az árvízvédelmi töltések igénybevétele

A töltés alatti rétegnek eltérőek a tulajdonságai: talpszivárgás is megindulhat (rosszul végrehajtott alapozás esetén), kimosódhatnak a talajszemcsék, még mielőtt mértékadó terhelést kapna. Amennyiben a fedő alatt folyósabbra hajlamos talaj van, az nagy valószínűséggel problémát fog okozni.

46

A töltéstesten átszivárgó víz: az eddigi γv térfogatsúly γ’-vé válik: ez számokban körülbelül a következőt jelenti: 18,5 kN/m3-ről 11 kN/m3-re csökken a térfogatsúly. Emiatt a nyíróellenállás: τ=(G-F)∙tgφ+b∙C, melyben φ: a töltéstest és altalaj közti súrlódási szög, vagy a töltésbeli súrlódási szög, míg C a kohézió. τ1, τ2 nyíróellenállások lecsökkenhetnek.

36. ábra: Szivárgás a töltéstesten keresztül (Az ábrát — amennyiben zh kérdésben szerepel — feliratozni szükséges, vagyis meg kell nevezni a felrajzolt jellemzőket)

A csapadék hatása a töltésre: erózió, a mentett oldalon is! Ennek megelőzésére növényi burkolat elegendő (pl.: fű, az eredetileg töltés alatti humuszt rárakhatjuk a kész töltésre). 6.1.3.

Védekezés a töltésmeghágás ellen

Koronát meghaladó vízszinteknél meghágja a víz a töltést, akkor nagyobb vízhozamoknál és tartósabb átfolyásnál kopolya alakulhat ki. A kopolya nagyon nagy töltéskárosodás (akár több méteres mélységű kimosás), ilyenkor a megmaradó töltésvégeknél csonkfogásra van szükség, hogy a károkat mérsékeljük. Ilyen módon lehet kezdeni a töltés azonnali helyreállítását. Ilyenkor lesz nagy jelentősége a lokalizációs töltéseknek, melyek másodrendű védvonalak, ezek akadályozzák meg, illetve fékezik a víz szétterülését. A töltésmagasítást mindig a gát víz felőli oldalán végezzük, hogy közlekedésre elegendő hely maradjon. 6.1.3.1. Nyúlgát A nyúlgát (37/a ábra), az árvízvédelmi töltés koronaszintjét legfeljebb 80 cm-t meghaladó vízszint esetén nyújthat védelmet. Lényeges, hogy a gátkoronára történő építés előtt a laza, áteresztő talajréteget eltávolítsák, a talajt megfelelően tömörítsék. 6.1.3.2. Jászolgát A jászolgátat (37/b ábra), akkor építjük, amikor a gátkorona feletti vízszint nagyobb, mint 80 cm (legfeljebb 1,2 m-ig). A gátkorona víz felőli oldaláról eltávolítják a laza talajréteget majd párhuzamosan sorban keményfa karókat vernek le, egymástól 80-100 cm-re. A szemben levő karók felső részét egymással összekötik, ezután vízszintesen pallósort, vagy rőzsesort helyeznek el.

47

37. ábra: Nyúlgát (a) és jászolgát (b) elvi rajza

6.1.4.

Védekezés hullámverés ellen

Hullámzás: a töltéstestre rácsapódó hullám komoly erőhatásként éri magát a rézsűfelületet, ezért ilyenkor burkolat szükséges. A burkolat anyaga (beton, kő) költség függvénye. Mindez érvényes a jégtáblák úszása miatt kialakuló ütőhatásra is. (A hullámverés elhabolja az árvízvédelmi töltést, ami csökkenti a hidraulikai állékonyságot, a töltéstest stabilitását.) 6.1.4.1. Rőzsemű Lehet rézsűre terített rőzse, vagy rőzsekolbászokból kialakított, megfelelően leszorított védőmű. 6.1.4.2. Fóliaterítés Védelmet nyújt a hullámzás ütő-szívó hatásával szemben és gátolja a gáttesten való átszivárgást. (A fóliát homokzsákokkal szokták leszorítani.) 6.1.4.3. Vegyes anyagok felhasználása Pl.: szádlemezezek, azaz pátria lemezek, CS-lemezek, fóliaterítés, illetve rőzsetakarás együttes alkalmazása. 6.1.4.4. Gyeptakaró A sűrű gyökérzónájú szárazságot és vizet (csapadékot és árvizet) is jól tűrő fűkeverékek nemcsak a rézsű csapadék okozta erózióját gátolják meg, hanem a hullámverés okozta elhabolás ellen is védelmet nyújt. 6.1.5.

Védekezés átázás és megcsúszás ellen

6.1.5.1. Töltés átázás, csurgás és szivárgás Amennyiben a töltés átázik és a víz a mentett oldalon is kifolyik töltéscsurgásról vagy töltésszivárgásról beszélünk, ilyenkor ugyanis a töltés mentett rézsűjén egy koncentrált helyen észlelünk vízáramlást. A víz ebben az esetben a töltésben keletkezett határozottan felismerhető lyukból, járatból tör elő. Ilyeneket kisebb állatok (vakond, ürge, pocok stb.), vagy a töltésben maradt fagyökér, faléc vagy palló elkorhadása okozhat. (Emiatt a töltések fenntartása keretében féregirtásról gondoskodni kell!)

48

Töltéscsurgásnál a vízoldalon kell a járatot betömni, ha már túl mélyen van a járat, akkor szádfal a megoldás, amelyet úszóműről verünk le. (Fennállhat a talpcsurgás veszélye is, ez két anyag találkozási felületén, jellemzően a fedő és a töltés közös felületén alakul ki, a levert szádfal ezt szintén meg tudja akadályozni.) 6.1.5.2. Töltés megcsúszás Megcsúszásról akkor beszélünk, ha a mentett oldali rézsű kezd szétfolyni, esetleg repedések mutatkoznak rajta. A megcsúszás elleni védekezési mód az átázással megegyező: szádfal verése a vízoldalon. 6.1.6.

Védekezés töltés alatti talajtörés ellen

6.1.6.1. Buzgár megfogása A töltés alatti talajtörés, azaz a buzgár a mentett oldalon keletkezik, általában elhalt növényi maradványok nyomán, mivel kisebb az áttörendő réteg. Megjelenik a talajszemcse a felszínen (kisodródik), az eddig hosszú szivárgási hossz egyre rövidül (anyag eltávozás a fedőréteg felé, a fedő alól), a folyamat időben felgyorsul, és ha eléri a töltés alját a buzgár, akkor összeroskadhat a töltés. Feladatunk az anyag kihordás meggátlása, ezért az ellennyomó medence magasságát addig kell emelni, amíg a kisodrás (kihordás) meg nem szűnik (38. ábra). Amikor az anyagkisodrás megszűnik, akkor már tiszta vizet hoz a buzgár.

38. ábra: Buzgár elfogása

6.1.7.

A védekezés egyéb jellemzői

Az előrejelzés fontosságára való figyelemfelhívás: a védekezés vezetője előrejelzés nélkül béna. Anélkül nem derül ki számára, hogy melyik szakaszon mikor kell védekezni. Kiürítés: tartós magas árvizek esetén fennáll a veszélye, hogy nincs más választása a védekezés vezetőjének, csak a kiürítés, ilyenkor a legfontosabb az emberi élet védelme, ezek után következnek a javak, így az állatok is. Az állatok kimenekítéséhez megfelelő tapasztalat kell, és megkülönböztethetőknek kell lenniük a különböző gazdák állatai, így meg kell jelölni azokat. A védekezés során homokot, pallót stb. alapanyagok felhasználását valamilyen szinten vezetni kell, mert utána számon kérhetik a védekezőket, hogy hova lettek ezek a javak.

49

7. Vízlépcsők A vízlépcsők általános elrendezését a 39. ábra mutatja. Ez a létesítmény vízszint különbséget létrehozó műtárgyak együttese, melynek célja elsősorban nem az energiatermelés, hanem valamiféle vízgazdálkodási cél (vízhasznosítási) pl.: vízkivétel, hajózás, víztározás, vízátvezetés. A vízlépcsők kapcsolódó céljai lehetnek a vízi út javítása, kikötők létesítése, árvízvédelem, környezeti igények teljesítése. A vízlépcsők főbb részei: duzzasztómű, vízerőtelep, hajózsilip illetve halközlekedők. A vízlépcsőt építhetjük mederben (több részletben, körülzárásokkal), meder átmetszésben (az élővízfolyástól elkülönítve) vagy akár mederbővítésben (az előbbi kettő kombinálásával). A műtárgy tervezése során a következőkre kell odafigyelni: a felvízi szakaszon a víz le fog lassulni, lerakja a hordalékát, majd a műtárgy után az alvízi szakaszon hirtelen felgyorsul, itt biztosítani kell az utómedret, mert a víz hordalékot akar majd felvenni (hidraulikai szerep). Statikai szerepként értékelhetjük azt, hogy milyen talajra alapozzuk a vízlépcsőt.

7.1. A vízlépcső fő műtárgyai 7.1.1.

Duzzasztómű

A duzzasztómű feladata a vízlépcső funkcionális működéséhez szükséges vízszintet hozza létre, ezen kívül segíti az érkező árvizek levezetését. (Ez függ a szabadon hagyott nyílások méreteitől és számától, illetve a küszöb szintjének megválasztásától.) A szabad gátnyílás mérete 20-25 m körül optimális, de ez változhat az üzemelési körülményektől, a jég lebocsátás lehetőségeitől és a vagyon- és életbiztonságtól függően. A küszöbszint a túlduzzasztás nélküli levezetés, a jég lebocsátás zavartalansága, hordalék lerakódás illetve a kimosás mérséklésének függvénye. A duzzasztómű szabad nyílásai a sodorvonalra szimmetrikusak az árvíz és jég jobb lebocsátása miatt. 7.1.2.

Vízerőtelep

A vízerőtelep feladata a lefolyásra kerülő víz energiatermelésre való felhasználása, ehhez jó kapcsolatot kell létesíteni a duzzasztóművel. Ezt legjobban akkor közelítjük, ha a vízerőtelep a sodorvonal közelében helyezkedik el, míg a duzzasztómű szabad nyílásai jobbról-balról szimmetrikusan fogják közre. Amennyiben a vízerőtelep a vízlépcső jobb vagy bal partján helyezkedik el, akkor általában mederbővítést alkalmaznak, ez az árvíz rá- és elvezetését szolgálja. Ilyen esetben a felvízoldali öblözet kialakításánál nagy gondot kell fordítani a súrlódás csökkentésére, az áramvonalas rávezetésre. Az alvízoldali öblözet vonalvezetését kisminta kísérletek alapján lehet meghatározni, mivel a vízerőtelepet nagy sebességű víz hagyja el, nem lehet túl rövid szakaszon az alvíz oldali mederbe visszairányítani. Építése általában a duzzasztómű építése előtt történik, és alapozási síkja is mélyebbre kerülhet, mint a duzzasztóműé.

50

39. ábra: Vízlépcsők általános elrendezése

51

7.1.3.

Hajózsilip

A hajózsilip feladata a két víztér (alvíz és felvíz) közötti közlekedés biztosítása, esetlegesen árvíz levezetési funkciója is van. A hajózsilipek méreteit a vízi útnak megfelelő járművek méretei határozzák meg. A mértékadó vízi járművek szerint megkülönböztetünk csónakzsilipet, hajózsilipet, illetve több vízi jármű együttes átzsilipelésére alkalmas hajóvonat zsilipet. A hajózsilip méreteit a víziút kategóriájából szabályzatok határozzák meg. A hajózsilip fő részei (lásd 40. ábra): a felső fő (amely tartalmazza a következőket: a duzzasztott vízszint tartására alkalmas zsilipkaput, ami a küszöbre támaszkodik, töltőnyílásokat töltőcsatornával, az ideiglenes elzárás hornyait) a felső fő felett található a felvízi móló várakozó térrel. Az alsó fő lényegében hasonló funkciókat lát el. A zsilipkamra a következő fő része a hajózsilipnek, ez a rész fogadja be a hajókat.

40. ábra: Hajózsilip hosszmetszete (a) és felülnézete (b)

A hajózsilip használata közben hang- és fényjelekkel tudatható, amikor bebocsátást nyernek-e a hajózsilipbe, illetve a híddal rádiókapcsolaton át is tudatható az információ. A hajózsilipek betonszerkezetét koptató igénybevételek érik a kamra felől, melyek ellen koptatóbetonnal lehet védekezni. Az áramló víz nagy igénybevételeket okoz, ami ellen vastagabb szerkezetekkel védekezünk. A beömlő víz által kiszorított levegő a légréseken nagy nyomással távozik, és jelentős vízmennyiséget képes megmozgatni. Ezen jelenség ellen több légréssel védekeznek. A továbbiakban figyelembe veendő még a felúszás is, ami a javítások idejére leürített hajózsilip esetén mértékadó. Ilyen esetekben kitöltő anyagokat használnak, de különösen ügyelni kell a duzzadásra hajlamos anyagokra, mert feszültséget okozhatnak a szerkezetben. Nagyon nagy esésnél szükség lehet hajólift építésére, hajózsilip helyett. 7.1.3.1. Segítő berendezések A dörzsgerenda a zsilipkamra oldalán helyezkedik el, amit a hajók zúzódásának megakadályozására építenek be. Függőlegesen állnak, és a nevükkel ellentétben gumiborítást

kapnak bármilyen anyagból legyenek is. A zsilipelés ideje alatt a hajót kikötő bakhoz kötik, hogy ne ütődjön a falhoz. A kikötőbak egy úszómű, ami a vízállással változtatja helyét (görgőkön gurul). Ezen kívül még rendelkezésre állnak bizonyos távolságokban mászóhágcsók, horgok. 7.1.3.2. Töltő-ürítő rendszer szerinti csoportosítás A hajózsilipnél fontos, hogy minél kisebb időveszteséget szenvedjenek a zsilipelők, ezért cél, hogy a töltési-ürítési idő minél rövidebb legyen. Azonban a gyors töltés vagy ürítés heves hullámokat, hossz- és keresztirányú erőket ébreszt, amely a hajókat egymáshoz, a zsilipkamrához vagy a kapuszerkezethez szorítja, és kárt tesz a szerkezetekben. 7.1.3.2.1. Homloktöltés A felső elzáró kapuszerkezet felől töltik, a küszöbön keresztül vagy a küszöb felett áramoltatják be a vizet. Hátránya, hogy nagy hosszirányú erők léphetnek fel. 7.1.3.2.2. Oldaltöltés Az oldalfalon vannak töltőnyílások (amelyek egy körülfutó oldalcsatornás rendszerre csatlakoznak). Ez a megoldás főleg erősen hordalékos víz esetén hasznos illetve az alapozási mélység is csökkenthető. Azonban töltéskor nyugtalan vízfelszín alakul ki, emiatt kereszt- és hosszirányú erők lépnek fel (41. ábra).

41. ábra: Oldaltöltésű hajózsilip

7.1.3.2.3. Fenéktöltés A zsilipkamrába a kamra fenéklemezén át jön be a víz (42. ábra), ami a hajókra ható erők szempontjából kedvező kialakítás, nagy vízszintkülönbségek gyors áthidalására alkalmas, azonban nagy lesz a fenéklemez vastagsága.

53

42. ábra: Fenéktöltésű hajózsilip

7.1.3.2.4. Megkerülő csatornás töltés A töltés-ürítést a felső főben végzik, rövid egymással szembe fordított nyílásokon át (43. ábra).

43. ábra: Megkerülő csatornás hajózsilip

7.1.3.3. Kapurendszer szerinti csoportosítás Zsilipkapunak hívjuk a hajózsilip elzáró szerkezetét, amelynek biztosítania kell a hajózási űrszelvényt, a duzzasztást és a vízzárást. 7.1.3.3.1. Támkapu Kb. 12°-os hajlásszögben záródik, teljesen vízzáró. Két irányban oldalra adódik át az erő, míg csak egy oldali víznyomást tud felvenni a kapu. A felső és alsó főben a táblákat mozgató rendszerek is ott vannak (hidraulikus erővel mozgatják). A kapu csak akkor működtethető, ha a kapu két oldala közti vízszintkülönbség 20 cm-nél kisebb. 7.1.3.3.2. Emelőkapu A kapu felhúzása után a mértékadó hajók számára elegendő űrszelvénynek kell rendelkezésre állnia. Előnye, hogy nagyobb vízszintkülönbségek esetén is kinyitható, azonban a szerkezetnek, amire feltámaszkodik a kapu ki kell bírnia a nyomást. 7.1.3.3.3. Süllyeszthető / merülő kapu Az emelőkapu ellenkezője, ugyanis itt a kaput a küszöb mögé süllyesztik le. A süllyesztés után elegendő vízmélységre van szükség a hajózáshoz.

54

7.1.3.3.4. Szegmens kapu Különösen a felső fő elzárására alkalmas, lehet emelhető vagy süllyeszthető is. 7.1.3.4. Az átzsilipelés módja A teltkamra vízszintjét az ürítő csatornán át az alvíz szintjére engedik, majd az alsó kaput kinyitják, ekkor a hajó a zsilipkamrába úszik. Zárják az alsó kaput, nyitják a töltőzsilipet. A felvíz szintjét elérő kamravízszintnél a felső kaput kinyitják, a hajó kizsilipel. Völgymenetnél hasonló a módszer, de fordított a sorrend (44. ábra).

44. ábra: Felfelé haladó hajó átzsilipelése

7.1.3.5. Csónakátemelők A hajózsilipek mellett a vízi sportnál használatos csónakok átemelésére csónakátemelőket építenek. A csónakátemelők célja a vízveszteségek elkerülése, és az átjutás megkönnyítése. Ilyen esetben a csónakokat kiemelik a vízfolyásból a vízlépcső előtt, majd az alvízen újra vízre rakják őket. A csónakátemelő főbb részei: egy a lejtőn (sólyapályán) mozgó kocsiszerkezet, melyet a víz alá is le lehet engedni, ezt a szerkezetet kézi csörlővel húzzák fel a partra. Valamilyen hosszirányú vágányon keresztül tolják át a másik víztérhez és ott leengedik a vízre. 7.1.4.

Halközlekedők

A halközlekedők tervezésénél figyelembe veendőek a továbbiak: a kitorkolló nyílás csendes folyású térbe kerüljön, kicsi legyen a vízvesztesége, kellően megvilágított legyen, benne a víz sebessége ne kerülje el az 1,5 – 2 m/s-ot, és az ívás idején várható bármely duzzasztási szint esetén működjön. 7.1.4.1. Medencesoros hallépcső A műtárgy vázlatát a 45. ábra mutatja. Keresztfalakkal megosztott betoncsatorna bukó- és búvónyílásokból áll, tehát a halak medencék sorozatán keresztül jutnak el egyik víztérből a másikba.

55

45. ábra: Medencesoros hallépcső

7.1.4.2. Halsurrantó Nagyobb esésű csatorna szakasz, mely a halak közlekedését segítő építmény. 7.1.4.3. Hallift A nagyobb tömegben érkező halak felső víztérbe emelésére szolgál (lefelé megoldható surrantóval). A halak figyelmét csobogó víz hívja fel, egy aknába úsznak be a halak, a bevezető nyílást lezárják időnként, a felvízoldalra vezető csatornát kinyitják, a víz felemelkedik, a halakat egy ráccsal kergetik ki.

8. Hajózás 8.1. Víziutak A víziutak a vízi közlekedés alapelemei. Magyarország számára vízi közlekedés alapvetően a belvizeken történő hajózást jelenti, így számunkra a folyamok a természetes víziutak, azonban vannak olyan részek, amelyek nehezen hajózhatók ilyenkor különféle vízmérnöki beavatkozásokat tesznek. Azonban vannak olyan területek, amelyeket nem hálóz be semmilyen folyam, ilyen hely például a Duna és a Rajna közötti terület, ide építették a Duna-Majna(-Rajna) csatornát, amely egy mesterséges víziút. A mesterséges csatornák közé tartoznak a hajócsatornák, amelyeknek csupán egy célja van: a hajózás, illetve a hajózható csatornák, amelyek többcélúak (nemcsak a hajózás a céljuk, hanem például az öntözés).(Hazánkban is találunk mesterséges csatornákat, a sokat emlegetett Duna-Tisza csatorna építését a múltban már megkezdték; Keleti főcsatorna). Itt megemlítjük, hogy a Duna IV. rendű, míg a Tisza III. rendű vízi út.

8.2. Kikötők A kikötők a vízi utak olyan állomáshelyei, ahol a hajók természetes, vagy mesterségesen kialakított vízfelületen személyforgalmi, árurakodási (léteznek speciális Ro-Ro kikötők, ahol a kamionok rá tudnak menni az úszóműre, és a vontatmányukat csak leakasztják pl.: Gönyű), sportolási, halászati, teleltetési, javítási vagy üzemanyag-felvételi célból megállnak. (Teleltetésre a jégzajlás beindulása előtt van szükség, a beállt vízfolyások állomás helyéül szolgál ilyenkor a kikötő, ahol rendelkezésre áll olyan berendezés, amellyel a hajók környékét jégteleníteni lehet, hiszen a jég keletkezése során 1/10-ével tágul, és ez kárt okozhatna a hajókban.) A kikötőkben a fenti funkciók összesítve lehetnek, azonban egymás zavarása nélkül kell ezt elérni. Megállásra,

56

vagyis horgonyvetésre alkalmas helyek is lehetnek a vízfolyáson, ehhez min. 50 cm-es vastagságú homokos-kavicsos vagy törmelékes rétegnek kell rendelkezésre állnia (sziklás talajon nem lehet horgonyt vetni). A kikötők lényegében vízi közlekedési csomópontok, amelyek egyaránt szolgálják a szárazföldi (közút, vasút), valamint a vízi közlekedés érdekeit. A kikötő helyének meghatározása előtt meg kell állapítani a gyűjtőterületet, gazdasági, hidrológiai, geológiai hordalékjárási szempontokat is figyelembe kell venni, mindemellett általában települések környezetében helyezzük el őket (ok pl.: kiszolgáló személyzet, kórházak, rendészeti szervek közelsége), illetve ahol megfelelőek az alapozási lehetőségek.) A kikötő vízfelőli oldala a folyószakasz azon részére essen, ahol az időjárási és a hidrológiai körülmények viszonylag kedvezőek. Ennek érdekében figyelembe kell venni a széljárást, a hordalék-lerakódás és a jégzajlás várható következményeit, a be- és kihajózás állandó lehetőségét, a jó látási viszonyokat, a kedvező manőverezési lehetőségeket stb.

46. ábra: A medencés kikötő bejáratának kialakítása

A kikötő bejárata folyami kikötőknél a vízfolyás homorú partján legyen (46. ábra). A bejáróút tengelye a folyásirányba nézve a sodorvonal érintőjével általában 30°-os szöget zárjon be. A kikötőbejárat szélessége: , ahol n: az egymás mellett közlekedő hajótestek száma, B: a hajó szélessége, míg b: biztonsági távolság (folyamon 10 m). (Szk nem lehet kisebb, mint 50 m.) A kikötőben a vízmélységet úgy kell megállapítani, hogy a legalacsonyabb vízállás esetén is legalább 50 cm legyen a teljesen terhelt hajó legmélyebb része is a mederfenék között. Elhelyezés szerint épülhet a kikötő a partvonalra (ekkor rakpartnak hívjuk Budapesten azonban nincsenek biztosítva a berakodás feltételei, tehát nincsenek darupályák), a partvonal elé (mólós kikötő – ez inkább tavi kikötő pl.: Siófok, itt a móló biztosítja a csendes vízteret, ami a behajózáshoz szükséges), a partél mögé (medencés kikötő) illetve lehetnek kombinált lehetőségek. A víziút jellege szerint is osztályozhatjuk a kikötőket: tengeri vagy belvízi (a belvízi kategória tovább osztható folyamira, mesterséges vízi utakon lévőre és tavira). A rakodók olyan partszakaszok, amelyek áruféleségek átrakodására alkalmasak és a kiszolgáláshoz szükséges berendezésekkel rendelkeznek. (Nemcsak kikötőben van lehetőség rakodásra, hanem ahogy Budapesten ismerjük a rakpartokat, azokat is lehet használni rakodásra, ahogy például az I. számú vásárcsarnok előtti rakpartot is használták az odaérkező áruk rakodására.)

57

8.3. Partfalak A kikötői partfalak alakját, szerkezetét a vízjárás illetve a rakodási módok, navigációs igények figyelembevételével határozzák meg. A következő partfal típusokat különböztetjük meg: 8.3.1.

Függőleges partfal

A függőleges partfal (47. ábra) hajózási és rakodási szempontból a legelőnyösebb megoldás. A rakodás a daruk rövid gémkinyúlása és állandó volta miatt gazdaságos, gyors. Hátránya, hogy alacsony vízállás esetén az úszóműre rossz a rálátás. A kikötési lehetőségek a hajózsiliphez hasonlóak, így mozgó úszóművekre lehet kikötni és dörzsgerendák védik a hajótestet.

47. ábra: Függőleges partfal

8.3.2.

Rézsűs partfal

Rézsűs partfal esetén (48. ábra) a hajók a partélhez a vízállástól függően közelebb, vagy távolabb állnak. A hajókat általában támgerendával kell távol tartani a rézsűtől. A hajót minden vízállás változásnál át kell kötni, ami a rakodást nehézkessé és időigényessé teszi.

48. ábra: Rézsűs partfal

58

8.3.3.

Kikötői ponk

A kikötő ponk függőleges és rézsűs partfal egyes elemeinek felhasználásával épített kikötő (49. ábra). A rézsűs partfal körömpontja közelében függőleges cölöpöket helyeznek el, amelyhez egymástól két tengelytávolságra függőleges partfal csatlakozik. A ponkon helyezkedik el a rakodó-berendezés, a hajót pedig a parttal párhuzamosan mozgatják. Olcsón megépíthető, a rakodási idő viszont elhúzódhat.

49. ábra: Kikötőponk

59