Výstavba PZS Chrást u Plzně - Stupno v km 17,588, 17,904 a 18,397 SO 5.01.2 Rekonstrukce přejezdová konstrukce v km 17,904 Část objektu: Propustek v km 17,902 Hydrotechnický výpočet
HYDROTECHNICKÝ VÝPOČET Úvod a podklady: Hydrotechnické posouzení je provedeno z důvodu změny průtočného profilu rekonstrukcí (kompletní přestavba propustku). Podklady: Hydrologická data od ČHMÚ, pobočka Plzeň, ze dne 19.02.2015 zn. P15000846 ČSN 73 6201 Projektování mostních objektů ČSN 75 1400 Hydrologické údaje povrchových vod TP 204 – Hydrotechnické posouzení mostních objektů na vodních tocích Hydraulika – příklady (vydavatelství ČVUT 04/1993) Hydrologie – učební text pro SOŠ (2003) Současný stav: Stávající propustek: Vznikl v r. 1954 – trubní – železobetonové kruhové trouby - světlost 0,5 m, rozpětí 0,6 m, šířka 5,0 m (délka otvoru 4,8 m), výška 1,28 m, výška lože a přesypávky 0,43 m. Prostředí je velmi málo agresivní. Nový stav: Nový propustek: Rámový – železobetonové rámové prefabrikáty – vnitřní průřez šířka x výška = 2,0 x 1,0 m, dno odlážděné kamenem do betonu, výsledný světlý průřez – střední výška 0,7 m (od dna uprostřed 0,75 m, u stěn 0,617 m). Na vtoku vpravo bude železobetonová jímka s přítokovými otvory ve stěnách, zakrytí roštem, na dnu odláždění. Šířka objektu bude 6,65 m, délka otvoru u dna 7,6 m, výška objektu 1,63 m. Před vtokovou jímkou a za výtokem bude v korytě odláždění. Údaje o vodoteči: Dle předaných podkladů ČHMÚ pobočka Plzeň (zn. P15000846) v hydrologickém pořadí č. 1-11-010430 v profilu propustek na východní straně žel. přejezdu u zastávky Dolní Stupno (v km 17,902) je návrhový průtok (NP) Q100 = 2,95 m3/s, odvodňovaná plocha povodí 0,45 km2, třída IV. Jedná se o fiktivní tok (občasnou bezejmennou vodoteč). Variační rozpětí Q100/Q1 = 2,95/ 0,28 = 10,53 Kontrolní návrhový průtok (KNP): podle ČSN 73 6201, tab. 12.1 QKNP,100 = 1,50 . Q100 = 1,5 . 2,95 = 4,425 m3/s Vstupní charakteristiky: Součinitel rychlosti: ϕ = 0,98 součinitel drsnosti: na = 0,013 (beton - stěny), nb = 0,025 (kamenná dlažba - dno), výsledný (z poměru ploch dna a stěn): n1 = (0,013*2*0,7+0,025*2,0)/(2*0,7+2,0) = 0,020 (bez horní plochy) n2 = (0,013*3,16+0,025*2,0)/(3,16+2,0) = 0,0175 (kompletní plocha) součinitel zatopení vtoku β = 1,45 (vtoková jímka), součinitel výškového zúžení k = 0,97 Šířka otvoru propustku b = 2,0 m Výška otvoru h = 0,70 m (ze světlé výšky rámu 1,0 m – střední světlá výška z průtočné plochy S = 1,393 m2, výška od dna uprostřed otvoru h01 = 0,75 m, u stěn h02 = 0,617 m) 1
Výstavba PZS Chrást u Plzně - Stupno v km 17,588, 17,904 a 18,397 SO 5.01.2 Rekonstrukce přejezdová konstrukce v km 17,904 Část objektu: Propustek v km 17,902 Hydrotechnický výpočet
Vlastní výpočet: Pro NP: q1 = Q100 / b = 2,95 / 2,0 = 1,475 , pro KNP: q2 = QKNP100 / b = 4,425 / 2,0 = 2,212 Hloubka za vtokem: yc1 = 0,42 * q12/3 = 0,42 * (1,475)2/3 = 0,544 m (NP) yc2 = 0,42 * q22/3 = 0,42 * (2,212)2/3 = 0,713 m (KNP) Kritická hloubka: yk1 = ( q12 / g )1/3 = ( 1,4752 / 9,81 )1/3 = 0,605 m (NP) yk2 = ( q22 / g )1/3 = ( 2,2122 / 9,81 )1/3 = 0,793 m (KNP) Rychlost toku v otvoru: vc1 = 2,38 * q11/3 = 2,38 * 1,4751/3 = 2,71 m/s (NP) vc2 = 2,38 * q21/3 = 2,38 * 2,2121/3 = 3,10 m/s (KNP) Energetická výška: E = yc + vc2 / ( 2 * g * ϕ2 ) E1 = 0,544 + 2,712 / (2 * 9,81 * 0,982 ) = 0,544 + 0,390 = 0,934 m (NP) E2 = 0,713 + 3,102 / (2 * 9,81 * 0,982 ) = 0,713 + 0,510 = 1,223 m (KNP) Výška hladiny na vtoku: y1 = E1 - vc12 / (2 * g) = 0,934 – 2,712/(2*9,81) = 0,934 – 0,374 = 0,56 m úprava vlivem jímky: y1 = 0,934 – 0,5*0,374 = 0,746 m (NP) - výška hladiny na vtoku bude menší než β*h = 1,45*0,7 m = 1,015 m – vtok bude volný y2 = E2 - vc2 2 / (2 * g) = 1,223 – 3,12/(2*9,81) = 1,223 – 0,490 = 0,733 m úprava vlivem jímky: y1 = 1,223 – 0,5*0,49 = 0,978 m (KNP) - výška hl. na vtoku bude menší než β*h = 1,015 m – vtok bude také volný podle znění vzorce 10.4 z TP 204 (KNP) Výška hladiny na výtoku: yd1 = 1,1 * yk1 = 1,1 * 0,605 = 0,665 m < h = 0,7 m - výtok zůstane volný (NP) yd2 = 1,1 * yk2 = 1,1 * 0,793 = 0,872 m > h = 0,7 m - výtok bude zatopený (KNP) Q2 = ϕ*b*yd2*[2*g*(E2–yd2)]0,5 = 0,98*2,0*0,872*[2*9,81*(1,223–0,872)]0,5 = 4,485 m3/s > QKNP100 = 4,425 m3/s (průtoková kapacita vyhovuje) Úprava energetické výšky pro KNP: E2 = yc2 + Q2 2 / (ϕ2*2*g*Sc2) = 0,713 + 4,4852 / (0,98*2*9,81*1,362) = 0,713 + 0,565 = 1,278 m y2 = E2 – 0,5*vc22 / (2 * g) = 1,2783 – 0,5*3,12/(2*9,81) = 1,278 – 0,245 = 1,033 m - výška hl. na vtoku bude menší než β*h = 1,45*0,7 m = 1,015 m – vtok bude volný (KNP) Posouzení pro zahlcený vtok při KNP: (Hydraulika – str. 281 – 5b) --- navržený sklon 1,0 % – vzorce upraveny pro h = 0,35*b = 0,35*2,0 = 0,70 m (při sklonu 1%, tzn. io = 0,01) Hladina těsně za vtokem: yc2 = 0,62 * h = 0,62 * 0,7 = 0,434 m Energetická výška (při zjednodušení vlivem jímky prakticky výška hladiny na vtoku): E = [ Q / (0,35*2,335)*b2) ]2 + 0,35*0,62*b = [2,95 / (0,817*2,02)]2 + 0,217*2,0 = 0,815 + 0,434 = 1,255 m – menší než od dna k hornímu povrchu kolejového lože (1,46 m) - vyhovuje Rychlost proudění: vT2 = 2*Q/b2 = 2*4,425/2,02 = 2,21 m/s Minimální sklon dna: iT2 = 0,00174 * (Q/b8/3)2 = 0,01744 * (4,425/2,08/3)2 = 0,0085 - sklon 0,85 % 2
Výstavba PZS Chrást u Plzně - Stupno v km 17,588, 17,904 a 18,397 SO 5.01.2 Rekonstrukce přejezdová konstrukce v km 17,904 Část objektu: Propustek v km 17,902 Hydrotechnický výpočet
Přestavěný propustek s vtokovou jímkou se uvažuje na proudění s volným vtokem. Pro NP bude proudění s volnou hladinou s volným výtokem. Pro KNP bude hladina ovlivněna dolní vodou (zatopeným výtokem). Jednotlivé výšky hladiny pro KNP však ukazují na plně zatopený průřez = tlakové proudění. Postup výpočtu výše je podle TP 204 (str. 66 – 69) a Hydraulika (str. 276 – 281). Určení minimálního sklonu: průtočná plocha S = 2,0*0,75 – 0,2*0,2 – 0,133*0,8 = 1,393 m2 (celý průřez) S1 = 1,393 – (0,7-0,605)*1,705 = 1,23 m2 (NP) S2 = 1,39 m2 (KNP) omočený obvod O1 = 2,02 + 2*0,417 + 2*0,28 = 3,41 m (NP) O2 = 2,02 + 1,6 + 2*0,417 + 2*0,283 = 5,02 m (KNP) náhradní hydraulický poloměr R1 = S1 / O1 = 1,23 / 3,41 = 0,360 m (NP) R2 = S2 / O2 = 1,39 / 5,02 = 0,277 m (KNP) Výpočet dle Manninga: C1 = R11/6 / n1 = 0,361/6 / 0,0175 = 48,2 (NP) C1 = R21/6 / n2 = 0,2771/6 / 0,020 = 40,4 (KNP) v1 = q1 / h = 1,475 / 0,7 = 2,11 m/s (NP) v2 = q2 / h = 2,212 / 0,7 = 3,16 m/s (KNP) i01,min = v12 / (C12 * R1) = 2,11 2 / (48,22 * 0,360) = 0,0053 < i0 = 0,01 (navržený sklon 1,0 %) i02,min = v22 / (C22 * R2) = 3,16 2 / (40,42 * 0,277) = 0,0221 > i0 = 0,01 (navržený sklon 1,0 %) Vyhodnocení a závěr: Navržený otvor plně vyhovuje pro NP (návrhový průtok) ve všech posuzovaných parametrech. Vyhovuje zejména kapacita, sklon a hladina vody na vtoku. Vzdutá hladina vody zde nedosáhne k horní úrovni štěrkového lože. Kapacitní průtok Q2 = 4,485 m3/s vyhovuje pro NP i KNP. Pro KNP (kontrolní návrhový průtok) vyhovuje propustek pro minimální sklon 0,85 % při použití teorie podle učebnice Hydraulika. Podle rovnic Manninga je však kapacita splněna pouze za předpokladu minimálního sklonu dna 2,21 %. Pro tento sklon však není možné zajistit nad konstrukcí rámu nutný obrys kolejového lože jeho výšku). Vyhovující zvolený sklon je 1,0 %. Tento rozpor způsobují dvě odlišné teorie na zajištění tlakového proudění, které je nevhodné pro obdélníkové propustky. Odtok od propustku bude mít upravené nezpevněné přímé koryto pouze ke hranici pozemku dráhy. Sklon dna bude 0,4 % (minimální možný pro nezpevněný příkop). Výtok propustku (jeho dno) v návrhu je tak na nejnižší možné úrovni. Odtok vody však není omezený, změna směru toku koryta těsně za výtokem je odlážděná. Zvětšení otvoru na zajištění proudění pro KNP podle Manninga není v místě převedení občasné vodoteče možné. Nelze již snížit niveletu toku (dno). Zvětšení šířky otvoru také není možné, aby se stále ještě jednalo o propustek a ne o most. Proto na základě čl. 12.2.6 z ČSN 736201 je navržena rekonstrukce propustku přestavbou na rám s odlážděným dnem tak, aby se dosavadní kapacita otvoru propustku nezmenšila (stávající otvor vnitřního průměru 0,5 m). Návrh však plně vyhovuje pro splnění NP na Q100 bez navýšení. Odtok od propustku není omezený. Je proto použitelný NP a KNP se ve výsledku nebude uvažovat, protože se nepředpokládají snížené nároky na rozsah erozních projevů a na míru ovlivnění odtoku podle čl. 12.1.2.6 z ČSN 73 6201. Na přítoku nedojde k zaplavení žádných mimodrážních staveb. Propustek tak hydraulicky vyhovuje. Ústí nad Labem, 31.07.2015
Vypracoval: Ing. Zdeněk Zeman 3
