Vesiehitis (0)

Vesiehitis (ingl. k hydraulic structure) on jõe-, järve-, mere- või põhjavee kasutamist võimaldav või vee purustavat toimet tõkestav rajatis , vesiehitus (hydraulic construction ) aga tegevus, mis hõlmab igasuguste ehitiste rajamist voolu- või seisuvette.
Vesiehitiste liigitus
•vett paisutavad ehitised (paisud);
• veejuhtmed : kanalid, kraavid , torustikud , tunnelid , rennid vms;
•veehaarded, mille kaudu võetakse jõest, järvest, merest, maa seest vett;
•veelaskmed (ülevoolud, treppveelaskmed, kiirvoolud jt), mille kaudu lastakse läbi või heidetakse ülespaisutatud või kogutud vett (sh nt heitvett reoveepuhastist);
•vett tõkestavad kaitseehitised : tammid , kaldakindlustised, voolu juhtivad ning mere- või jõekallast uhtmise eest kaitsvad kaldast lähtuvad kannustammid e buunid;
•veeliiklusega seotud ehitised: lüüsid, muulid , kaid jms;
•kalamajandusehitised: kalatiigid , kalapääsud jms.
Vesiehitiste liigitus
•Asukoha järgi: jõe-, järve- või mereehitised
• Otstarbe järgi: maaparandus - või veemajandusehitistega (Maaparandusehitised kanalid, kraavid, truubid, düükrid jms; veemajanduslikud, mis rajatakse vee kogumiseks, võtmiseks, edasijuhtimiseks, kasutamiseks või mõõtmiseks)
•Ajalise kestvuse järgi: vesiehitised alatisteks ja ajutisteks. Alatisi jagatakse põhi- ja abiehitisteks. Põhiehitisteks loetakse neid, mille purunemine võib põhjustada kogu veesüsteemi või hüdrosõlme avarii. Need on paisud, tammid (nt Hollandis ja New- Orleansis ), regulaatorid, ülevoolud ja veelaskmed. Abiehitised on sellised, mille purunemine suurt ohtu ei tekita, vaid raskendab põhiehitiste käitust (nt remondivarjad, veemõõterennid ja -ülevoolud).
Veehoidlad
• Veehoidla (reservoir, impounding reservoir, storage reservoir) on vooluvee tõkestamise teel või vee pumpamisega või muul viisil maapinnanõkku või kaevatud süvendisse või piirdetammide vahele rajatud tehisveekogu.
•Veehoidla rajatakse vee kogumiseks või äravoolu ajaliseks ümberjaotamiseks (nt suurveeüleujutuste vähendamiseks allavoolu paiknevatel aladel). Veehoidlaid ehitatakse vee-energia saamiseks, veevarustuse , niisutuse, kalamajanduse vm, sageli mitmeks otstarbeks. Neid kasutatakse ka virgestuseks ja sportimiseks.
•Voolu tõkestamine põhjustab paisutuse, mis levib paisjoonena (backwater curve) ülesvoolu.
•Veetase võib veehoidlas kõikuda suurtes piirides, sõltuvalt juurdevoolust ja vee tarvitamisest.
Paisutustasemed:
•KPT – kõrgeim paisutustase ( highest flood level), s.o veehoidla kõrgeim veetase, mis on tehniliselt lubatav vaid lühikest aega erakorralistes (kevadsuurvesi, suur vihmaveetulv) oludes. Sel ajal on täis nii jõude-, kasus - kui ka tulvamaht;
•NPT – normaalpaisutustase (full reservoir level), s.o projektikohane veetase, mida võib hoida normaalsete käitustingimustes; täis on jõude- ja kasusmaht;
•MPT – madalaim paisutustase (lowest reservoir level) – madalaim tase, milleni vesi võib normaalse käituse korral alaneda; veehoidlas on siis vaid jõudemaht;
Mahud:
•Vk – veehoidla kogumaht ( total storage [ capacity ]) veehoidla põhjast kõrgeima veetasemeni;
•Vkas – veehoidla kasusmaht ( live storage [capacity], active storage capacity) – normaalpaisutustaseme ja madalaima paisutustaseme vaheline maht;
•Vj – veehoidla jõude- e passiivmaht (dead storage [capacity]) – veehoidla madalaimast paisutustasemest allapoole jääv maht, mida ei saa kasutada;
•Vt – veehoidla tulvamaht (flood [ control ] storage [capacity]) – kõrgeima ja normaalpaisutustaseme vaheline maht.
Veehoidlate paisutustasemed ja mahud
Pinna- ja mahukõver
•Veehoidlat iseloomustavad andmed (pikkus, laius, keskmine sügavus, pindala ja maht) antakse normaalpaisutustaseme jaoks. Veehoidla pindala ja maht määratakse sügavuskihtide planimetreerimise ja osamahtude liitmise teel, tulemuste põhjal koostatakse pinna- ja mahukõver
Veehoidla täitumiseks kuluv aeg
ööpäeva
•kus V on veehoidla maht, Qd – ööpäevakeskmine kasutatav juurdevool m3, s.o tegelik juurdevool miinus paisust läbi lastav vesi (mille määrab sanitaarvooluhulk), ning Wk – veekadu veehoidlast ööpäeva kestel.
Veekadu veehoidlast
•Wk = Wf + Wa Veekadu veehoidlast Wk on filtratsiooni - ja aurumiskao summa
Veekadu veehoidlast
•Ööpäevane aurumiskadu m3,
kus Ak on veehoidla keskmine pindala aurumisperioodi kestel m2, Zv – aasta jooksul veepinnalt auruva vee kiht m ning Zm – aasta jooksul maapinnalt auruva vee kiht m.
•Filtratsioonikao läbi väikese veehoidla põhja
Wf = 2,5 k A hk m3 aastas,
•kus k on veehoidla põhja pinnase filtratsioonimoodul m/d (vt Hüdraulika ja pumbad , lk 235), A – veehoidla pindala m2 ning hk – veehoidla keskmine sügavus m.
•Ligikaudse filtratsioonivooluhulga läbi pinnaspaisu ja selle alt
m3/d, kus A on veehoidla pindala m2, H – vee sügavus paisu ees m ning L – kaugus veepeegli pinnakeskmest paisu alumise servani m.
•Arvutuseelsetes mõttekäikudes võib filtratsioonikaoks veehoidlast võtta:
–heade hüdrogeoloogiliste tingimuste puhul ( pais ja selle aluspinnas vett halvasti läbilaskev) 0–0,5 m aastas ehk 5–10% veehoidla keskmisest mahust (0,5–1% kuus);
–keskmiste hüdrogeoloogiliste tingimuste puhul 0,5–1 m aastas ehk 10–20% veehoidla keskmisest mahust (1–1,5% kuus);
–ebasoodsate hüdrogeoloogiliste tingimuste puhul võib filtreeruda 20–40% veehoidla mahust, s.o 1–2 meetrine veekiht (1,5–3% kuus).
Paisud:
•Pais on veevoolu tõkestav ja vett paisutav ehitis
Paisude liigitus: materjali järgi
•Pinnaspaisud
•Kivipaisud
•Puitpaisud
•Betoonpaisud
•Raudbetoonpaisud
•Kilepaisud
Paisude liigitus: ehituse järgi
•Gravitatsioonipaisud
•Kaarpaisud
•Kontraforsspaisud
Paisude liigitus: veeheite järgi
•Umbpaisud
•Veelaskepaisud, ülevoolupaisud
Paisude liigitus: kõrguse järgi
•Madalsurvepaisud (kuni 10m)
•Kesksurvepaisud (10…50m)
•Kõrgsurvepaisud (üle 50m)
Pinnaspaisud:
Pinnaspaisude ristprofiile (Liiv, 1992): a on ühtlasest pinnasest pais, b sama, nõlvakindlustis geotekstiilalusel, c tehismaterjalist ekraaniga pais, d vettpidavast pinnasest ekraaniga pais, e tuuma ja hambaga pais, f vettpidava diafragmaga pais, g vettpidava ponuuriga pais, h paisualust filtratsiooni tõkestava diafragmaga pais; 1 paisu pinnas, 2 nõlvakindlustis, 3 geotekstiil, 4 drenaažprisma, 5 pöördfilter, 6 ekraani kattepinnas, 7 tehismaterjalist ekraan, 8 saviekraan, 9 paisu tuum, 10 vahekiht, 11 diafragma , 12 ponuur
Paisu harja laius:
•Kui paisu harjale teed ei kavandata, on selle laius 3–4 meetrit. Paisu hari profileeritakse teljest mõlemale poole kaldega 3–5 kraadi ning kaetakse heinaseemne- ja kasvumullaseguga. Kui paisu harja pidi kulgeb tee, valitakse harja laius tee kategooria järgi (nt majandisisese tee muldkeha laius on 6,5 m, millest sõiduosa on 3,5 m).
Paisu harja kõrgus:
•Paisu harja kõrgus üle normaalpaisutustaseme oleneb veehoidla pikkusest ning sellest sõltuvast laine ülesjooksukõrgusest ning tuuleaju kõrgusest.
•Kõrguse saab määrata valemiga: Hpais=H+hl+dH+a, kus H on kõrgeim paisutustase hl on laine ülesveeremise kõrgus dH on tuulepaisutus a on tagavara (vähemalt 0,5m)
•Paisu nõlvused valitakse paisu kõrguse ja materjali järgi. Märgnõlv on alati kuivnõlvast lamedam
Põhjapaisud ehk põhjaülevoolud
Töötavad nii paisuna (kui näiteks aurumiskadu ületab juurdevoolu veehoidlasse), kui ka ülevooluna.
Filtratsioonivool
Vool läbi paisu ja selle alt
Pinnaspaisu alumise nõlva drenaaž: 1 on depressioonijoon, 2 pöördfilter, 3 kiviprisma, 4 dreen , 5 rõhtdrenaaž, 6 äravoolutoru, 7 kraav
Kivipais
Liigveelaskmed
•Liigveelase (spillway, overflow structure) on vesiehitis, mille kaudu tulvavesi juhitakse üle paisu või paisust läbi või mööda. Liigveelaskme lahendus oleneb maksimumvooluhulga suurusest. Üle paisu lastakse vesi ülevooluava(de) ning paisust mööda kiirvoolu või treppveelaskme kaudu.
•Ülevool (weir, overfall) on tõke (lävi, külgkitsend) voolusängis, millest vesi üle või läbi voolab ning mille kaudu saab liigvett vesiehitisest läbi lasta või mille abil saab mõõta vooluhulka. Läve laiuse (harja paksuse) δ järgi liigitatakse ülevoolud kolme rühma.
Ülevoolude liigitus
•Õhukesel ülevoolul ( thin -plate weir, sharp-crested weir – joonis 3.7, a) puutub ülevoolav juga kokku ainult läve esiservaga. Õhukesi ülevoolusid (δ vooluhulga mõõtmiseks. Selleks, et ülevoolutingimused ei muutuks ka üsna väikeste vooluhulkade puhul, mil H on väike, tehakse ülevoolu hari terav , siit sageli kasutatav termin teravhariülevool.
•Eriprofiilülevoolude läve laius jääb vahemikku (0,5–0,67)H ≤ δ ≤ 2H. Läve ristlõige võib olla kandiline või voolujooneline (joonis 3.7, b ja c).
•Lailäviülevooludel ( broad -crested weir) – joonis 3.7, d) on rõhtne lävi, mille laius (õigemini pikkus) δ = (2–10)H. Lailäviülevooludena arvutatakse ka voolu kitsendavaid läveta ehitisi : teetruupe ja väikeste sildade avasid.
Ülevoolud (Hüdraulika ja pumbad, 1995): a on õhuke, b kandiline ja c voolujooneline eriprofiilülevool, d lailäviülevool, e kitsendamata ja f kitsendatud ülevool, g viltune , h kaar- ja i hulknurkülevool, j külgülevool, k kaevülevool, l mõõteülevoolud
Crump’i mõõtülevool
• Laseb takistamata läbi ujuprahi ja uhtained
•Q = 1,96 kv bH1,5 (m3/s)
•kv – kiirustegur
–H määramiseks tuleb veetaset mõõta kuue lävekõrguse P kaugusel ülesvoolu.
–H ja P suhe olgu ≤ 3
Kiirvool
•Kiirvool (chute [spillway], canal rapids, inclined drop ) on tugevasti kindlustatud, suure langu ja käreda vooluga kanal või renn liigvee juhtimiseks paisust mööda või kanali viimiseks järsust nõlvast alla.
•Kiirvoolu tasub teha siis, kui ta sobitub nõlva reljeefiga, st et ehitamiseks ei ole vaja teha suuri pinnasetöid. Kiirvool (joonis 3.10) koosneb juurdevoolukanali lõpus olevast lävisest, suure langu ja käreda vooluga rennist ja äravoolusängi jõudva voolu kineetilist energiat vähendavast voolurahustist, milles käre vool rahulikuks muutub. Juurde- ja äravoolukanalist kitsama renni lubatav lang oleneb renni materjalist.
Kaskaad
1 on juurdevoolukanal, 2 lävis, 3 astanguastme rahustuskaev, 4 drenaažiava, 5 alumine rahustuskaev, 6 äravoolukanal
Treppveelase e kaskaad
•Treppveelase e kaskaad (cascade spillway, stepped spillway) erineb kiirvoolust selle poolest, et kaldrenni asendab rahustuskaevudest moodustatud trepp .
•Astang – siis kui ainult üks aste
Voolu rahustamine
•Voolu rahustamise mooduseid on kahesuguseid:
–sügavuse suurendamine joa langemiskohas vooluhüppe uputamiseks, ehitades rahustuskaevu või rahustusseina;
–kineetilise energia vähendamine mitmesuguste takistuste seadmisega langeva joa teele.
•Rahustuskaev (stilling basin, stilling pool) on vooluhüppe uputamiseks vesiehitise jalamile rajatud süvend (joonis 3.12, a).
•Rahustussein (stilling baffle, end baffle, baffle sill – joonis 3.12, b) tehakse siis, kui millegipärast ei soovita vesiehitise jalamil sängi sügavamaks võtta.
Voolurahustid : a on rahustuskaev, b rahustussein, c kombineeritud rahustuskaev
Põhjalase:
•Põhjalase ( bottom outlet , bottom culvert) ehitatakse selleks, et veehoidlat oleks võimalik tühjaks lasta. Paisu läbiv toru algab päisega, milles on vee läbipääsu sulgev vari (joonis 3.13, a). Kui pais on madal, võib vari paikneda ka toru väljavooluotsas. Üle 8-meetrise veesügavuse korral ehitatakse tornpõhjalase (joonis 3.13, b).
Varjad
•Vari ( gate , water gate) on veetaseme või vooluhulga reguleerimiseks kasutatav liigutatav tarind, millega osaliselt või täielikult suletakse vesiehitise (ülevoolupaisu, kalapääsu vm) vooluava.
•Väikeste, käsivintsiga tõstetavate tasandvarjade – puidust (joonis 3.14, a) või metallist (joonis 3.14, b) kilp-varjade, paisuprussidest e šandooridest moodustatud šandoorvarjade (joonis 3.14, c) ning vooluhulka käsitsi reguleerida võimaldavate (vardaid välja võttes) varrasvarjadega (joonis 3.14, d) kaetakse suhteliselt väikesi avasid. Suurte paisude tasand- (joonis 3.15, a), segment- (joonis 3.15, b), klapp- (joonis 3.15, c) ja katusvarjasid (joonis 3.15, d) tõstetakse sildkraanaga.
Kanalid, kraavid, rennid
•Kanaliks (kraaviks, renniks) nimetatakse tehisveejuhet, mis juhib vee tarbijani või sealt ära. Voolusängi ristlõike kuju võib olla mitmesugune (joonis 4.1): rennidel (flume), mis tehakse betoonist, puidust või muust materjalist, ristkülik, kolmnurk , poolring või parabool , pinnasesse kaevatavatel kanalitel (canal) ja kraavidel (ditch) peamiselt trapets või (halvasti püsivates pinnastes) parabool, tuleb ette ka liitprofiile. Ka kanalisatsiooni-torud (sewer) ja dreenid (drain, subsurface drain) kuuluvad avasängide hulka, sest vesi voolab neis raskusjõu toimel ning voolul on vabapind. Inseneriasjanduses on kõige sagedamini tegemist trapetsristlõikega (joonis 4.1, e).
Kanalite (kraavide, rennide) ristlõikeid (Hüdraulika ja pumbad, 1995):a on ristkülik, b kolmnurk, c poolring, d parabool, e trapets, f ja g liitprofiilid.
Regulaatorid
•Regulaatoreid kasutatakse veetaseme ja vooluhulga reguleerimiseks
•Konstruktiivselt saab jagada:
–(lüüs-) regulaator
–Truupregulaator
Kalapääsud
Kalapääsude liigitus - looduslähedased kalapääsud
•tehiskosk (bottom ramp ;põhja kalle 1:3–1:10)
•tehiskärestik (bottom slope ;põhja kalle 1:15 või lamedam
•möödaviikpääs (bypass channel ,)
•kalaramp ( fish ramp)
Hooldus , riskid
•Füüsikaliste mõjude tekitatud vigade kõrvaldamine (nt ülemise bjefi kaldakindlustus nihkumine , kivisillutise nihked jms)
• Bioloogiliste mõjude kõrvaldamine (nt vesirotid, nõvale kasvama hakanud puud)
Tehiskosk ja tehiskärestik
•Tehiskärestiku ja tehis- kose lahendusi (Fish passes, 2002):
•a – kivirahnudest laotud tehiskosk või -kärestik: ühes kihis aluskihile laotud rahnud on omavahel sideainega seotud; pinnakaredus on kogu-ulatuses ühesugune; konstruktsioon on jäik ning talub suuri voolukiirusi; ühinemiskoht alaveega tuleb kindlustada;
•b – kivirahnpuistust tehiskosk või -kärestik: omavahel sidumata rahnu-dest mitmekihiline rajatis; suhteliselt odav ehitada;
•c – kivilävedest tehiskosk
Kalaramp
•Et võimaldada vee-elustiku rändamist, võib vähemalt osale paisust lisada kareda kaldpinna e kalarambi. Kalaramp on ehituse ja toime poolest sama mis tehiskosk, ei hõlma aga kogu voolusängi laiust.
Kalapääsude liigitus - tarindkalapääsud
•Tiigikaskaad
•Kamberkalapääs e kalatrepp (jaguneb ülevoolu pool and weir ja avadega pool and orifice variandiks)
•Pilukalapääs e pilupääs ( vertical slot)
•Tõkiskalakäik e Denili kalakäik ( Denil )
•Angerjakäik (Eel Pass )
•Kalalift (Fish lock)
•Kalatõstuk (Fish elevator)
Denil-i kalapääs
•Tõkis- e Denili kalakäigus on suure kaldega – 1:5 (lang 20%) kuni 1:10 (10 %) renni põhjas või külgedel ja põhjas vastuvoolu 45o all kaldu olevad tõkisplaadid
Kalakäigu väljapääs
•kalakäigu väljapääs olema ülevoolupaisust ja turbiinide sissevoolust vähemalt 5 m kaugusel, et vool kalu paisust alla ega turbiinidesse ei veaks. Kui ülavee juurdevoolukiirus on üle 0,5 m/s, tuleb kalakäigu väljapääs viia vaheseina taha kaugemale ülesvoolu. Kui veetase kõigub üle 0,5 m, on kalakäigule vaja teha mitu väljapääsu (joonis 9.7). Mõne kalapääsutüübi puhul on vaja läbivoolavat vooluhulka (nt varja abil) reguleerida.
Probleemid
•Kala ei leia kalakäiku üles
•Vale tõmbekeskus – rohkem hapnikku!
•Vale kiirus kalakäigus
•Valed kalakäigu- trepi mõõtmed (nt kambri pikkus, astme kõrgus)
•Kala ei pääse kalakäigust välja
Kanalid:
Liigitus
Otstarbe järgi:
–niisutuskanalid
–kuivenduskanalid
–veevarustuskanalid
–energeetikakanalid
–laevatuskanalid
–kalamajanduskanalid
–(ajaloolised kaitseehitused)
Kanalitel paiknevad ehitised
•Kanali trass valitakse esimeses lähenduses reljefi alusel
•Takistuste ja keeruliste looduslike tingimuste jm nõete tõttu ehitatakse kanalitele:
–Akvedukte
–Düükreid
–Tunneleid
–Kaskaade
–Kiirvoole
–Lüüse
–Setiteid
–kalkäike
–jt ehitisi
Inimkahjustused
•Masinate poolt tekitatud lisakoormus nõlvadele
•Kraavi puhastusel tekkivad kahjustused hoolimatusest või ettevaatamatusest
Füüsikalised kahjustused
•Temperatuur (materjali joonpaisumine ja -kahanemine, mahupaisumine ja -kahanemine)
•Jäätumine, jää paisumine
•Pinnase muutumine, liikumine (a - puudulike pinnase tihendamise tagajärjel loomulik tihenemine aja jooksul, b - tihenemine vee väljasurumisel, c – paisumine ja kahanemine pinnase veesisalduse muutumisel) ©ttamm 2013
Füüsikalis-keemilise kahjustused
•Keemiline lahustumine