Životní prostředí 50 Úprava vodního toku
Ing. Petr Koudelka Katedra hydromeliorací a krajinného inženýrství B606, tel. 22435 4742
[email protected] Konzultace: Út, Čt 9:00 – 10:30
Literatura • • • •
MAREŠ, K.: Úpravy toků – navrhování koryt, ČVUT, Praha 1997 RAPLÍK, M. – VÝBORA, P. – MAREŠ, K.: Úprava tokov, Alfa, Bratislava 1989 HAVLÍK, V. – MAREŠOVÁ, I.: Hydraulika – příklady, ČVUT, Praha 1993 KEMEL, M.: Klimatologie, meteorologie, hydrologie, ČVUT, Praha 2000
•
ČSN 01 3469
• • • • • •
ČSN 01 3473 ČSN 75 0101 ČSN 75 0121 ČSN 75 0140 ČSN 75 0142 ČSN 75 1400
Výkresy hydrotechnických a hydroenergetických staveb – stavební část Výkresy hydromeliorací Vodní hospodářství – Základní Terminologie Vodní hospodářství – Terminologie vodních toků Názvosloví hydromeliorací Názvosloví protierozní ochrany Hydrologické údaje povrchových vod
• •
TNV 75 2102 TVN 75 2103
Úpravy potoků Úpravy řek
•
Zákon 109/2001 Sb. Stavební zákon
Zásahy do vodních toků • • •
Hrazení bystřin Úprava toků Revitalizace toků
• Úpravy toků Proč? - Ekonomicko-sociální důvody (dříve), ekologické (dnes) - Protipovodňová ochrana (intravilán, extravilán) - Zásobování vodou, - Získávání zemědělské půdy - Splavňování toků - Protierozní ochrana - Energetika - Revitalizace: čistota, zprůchodnění, srážko-odtokové poměry - Rekreace
Jak? - KOMPLEXNOST řešení (ekologie, ekonomika, estetika,..) - racionalita = zásahy s kladným účinkem na vývoj toku nebo zmírňující negativní účinky - zásahy v souladu s ekologickými nároky a s požadavky uživatelů - míra zásahu - studie, následuje projekt Kde? - 1. v povodí a 2. na toku, který nesplňuje požadavky na něj kladené - Toky (úseky) s ustáleným režimem, rel. stabilní koryto, rozliv beze škod, = zásah lokální a ojedinělý: odstranění překážky
v proudu, odtěžení nánosů, místní zpevnění břehů, atd. -
Toky (úseky) s ne zcela ustálený režim – ne velké škody, lokální poruchy břehů, tvorba výmolů a nánosů, rozhodnout mezi
opravou současného stavu a investiční akcí -
Toky (úseky) se zcela nevyváženým režimem + vysoké požadavky ochrany přilehlého území - úprava formou investiční akce
Důsledky!? -
-
kladné X záporné = pohled minulosti X současnosti negativní: napřimování toků, zvyšování sklonu, opevnění toku, zahloubení, snižování hl. podzemní vody v nivě = snižování zásoby vody v půdním horizontu, zrychlený odtok vody z povodí, zvyšování kulminačních průtoků, snižování kvality i kvantity habitatu ..... kladné: napřimování toků,snižování HPV = zvětšování zemědělského půdního fondu (dříve náhradní rekultivace), protipovodňová ochrana, protierozní ochrana, revitalizační efekt
Technicko-ekonomická dokumentace úpravy toku • • • •
•
investiční záměr projektová dokumentace pro ÚR projektová dokumentace pro stavební povolení dokumentace skutečného provedení stavby
Investiční záměr: Poklad pro řízení a plánování stavby, základní požadavky na stavbu, přípravu a řízení stavby. Obsahuje: • název a místo stavby, popis, účel, • náklady na stavbu a související investice, personální nároky a zdroje, • přínos stavby, vliv na ŽP, nároky na dopravu, nároky na území (ZPF a LPF), • termíny zpracování přípravné a projektové dokumentace, zahájení a dokončení stavby a uvedení do provozu. • Variantní řešení.
•
Dokumentace pro územní rozhodnutí Podklad investiční záměr (pokud byl zpracován), slouží pro účely ÚR (územního rozhodnutí) - vyjádření dotčených orgánů - základní data o stavbě, název účel, termín zadání, zpracování a projednávání PÚ - souhrnné vyhodnocení po stránce ekonomické a efektivity - technické údaje, členění na objekty, údaje o podkladech a průzkumech ... - propočet, ekonomická zpráva - výkresy: zejména přehledná situace, studie směrových spádových poměrů, ..
• Dokumentace pro stavební povolení 1. průvodní zpráva: identifikační údaje stavby, zákl. charakteristika návrhu stavby, investora, projektanta, provozovatele, čas. plán výstavby, průzkumy, podklady 2. stavební část: - technická zpráva, - hydrotechnické výpočty,
- výkresy:
3. 4. 5. 6. 7.
- přehledná situace - podrobná situace - vytyčovací výkres - podélný profil - vzorové příčné profily - příčné profily - výkresy objektů (skluzy, tůně, napajedla, lávky, brody, ...) - katastrální mapa
technologická část: přílohy popisující technologická zařízení stavby výkaz výměr a specifikace rozpočtová část plán organizace výstavby doklady
Projektování úpravy toku • •
Přípravné práce – podklady, průzkumy Vlastní projekt
Přípravné práce - historie záplav, škod - projektová dokumentace provedených a plánovaných úprav toku a jeho přítoků - údaje a dokumentace vodních děl a zařízení v dotčeném úseku: výkresy, vodohospodářská povolení, manipulační řády - dotčené stavby, inženýrské sítě, komunikace, .. - údaje o biologické skladbě krajiny včetně samotného toku (chráněné, významné, druhy, zvláště chráněná území, ..) Terénní průzkum - prohlídka zájmového území (stav koryta, výskyt lavic, výmolů odolnost dna a břehů, skladba a stav doprovodné vegetace, stav objektů = zhruba rozsah a způsob potřebné úpravy - biologický a hydrobiologický průzkum toku a přilehlého území,rozbory vody .......-
Geodetické podklady = Polohové a výškové poměry na toku - zaměření toku (podélný a příčné profily), inundačního území, nadzemních a podzemních objektů - DMT, katastrální mapy, základní topografické mapy, ZVM, různá měřítka Hydrologické podklady - plocha povodí k profilu - dlouhodobí průměrný roční úhrn srážek - dlouhodobí průměrný roční průtok Qa - čára překročení průměrných denních průtoků Qmd - čára opakování kulminačních průtoků QN - hydrologické podklady ČSSR (! Bez tříd přesnosti, 5let) - ČHMU dle ČSN 75 1400 (garance, placeno) - spolehlivost dat?!: homogenita, stacionarita a integrita měřených dat, délky řady, statistika pro malé periodicity p= 0,02; 0,01
Tab.Orientační hodnoty pravděpodobné chyby základních hydrologických údajů dle ČSN 75 1400 (Hydrologické údaje povrchových vod) Třída
Orientační charakteristika
Orientační hodnoty střední kvadratické chyby v % Qa
I
II
III
IV
Q30d ÷ Q300d
Q300d ÷ Q364d
Q1 ÷ Q10
Q20 ÷ Q100
Hydrologické údaje zpracované z hodnot dlouhodobě kvalitně pozorovaných přímo v daném profilu nebo v jiném velmi blízkém profilu na témže toku
8
10
20
10
15
Hydrologické údaje zpracované na základě dlouhodobých pozorování, která svojí délkou nebo kvalitou nevyhovují třídě I. Hydrologické údaje odvozené pro jiný profil na témže toku, pokud to připouští charakter odvozované veličiny, vodního toku, délka a kvalita pozorování, aj.
12
15
30
20
30
Hydrologické údaje odvozené na základě krátkodobých pozorování přímo na daném profilu nebo v těsné blízkosti na témže toku. Hydrologické údaje odvozené z pozorovaných profilů pro profil na témže toku, pokud nejsou splněny požadavky třídy II, nebo odvozené pro profil na jiném blízkém toku s obdobnými fyzickogeografickými poměry a obdobným hydrogeologickým režimem.
20
25
45
30
40
Hydrologické údaje odvozené z pozorovaných hodnot do profilu mimo požadovaný vodní tok nebo mimo jeho povodí pokud je nelze zařadit do třídy III. Charakteristiky maximálních průtoků odvozené ze srážek.
30
40
60
40
60
Geologický průzkum - druh a fyzikální vlastnosti hornin, raději geolog - zatřídění hornin pro kalkulaci objemu a ceny zemních prací - nalézt vhodné zdroje hornin, zemin a materiálů pro stavbu (hráze: hutnitelnost, propustnost) Hydrogeologický průzkum: obraz výskytu a pohybu podzemních vod Pedologický průzkum: fyzikální a mechanické vlastnosti půd Splaveninový režim: na větších a štěrkonosných tocích, křivka zrnitosti krycí vrstvy v toku = efektivní zrno, výmoly, štěrkové lavice
Návrh úpravy 1. 2. 3. 4.
Směrové vedení osy Niveleta dna (sklon, zahloubení, úseky) Příčný profil (tvar, velikost – kapacita) Druh opevnění
Návrh úpravy toku • • • •
směrové vedení osy (břehů) koryta niveleta dna (sklon, zahloubení, úseky s jednotným sklonem) příčný profil (tvar, velikost – kapacita) druh opevnění
-
nelze řešit odděleně: změna délky trasy = změna sklonu = změna rozdělení rychlostí a tečného napětí = volby druhu opevnění = změna drsnosti = změna kapacity = změna velikosti profilu
-
dobré znalosti (hydraulické, hydrologické) pro: tvar a kapacitu koryta, druh opevnění
-
horší znalosti pro směrové vedení: sice známe obecné vztahy; vzorce odvozeny pro některé toky (zde je lze použít jen na nich), matematické vyjádření za cenu velkého zjednodušení. dobrá trasa závisí na zkušenostech projektanta
Trasa -
-
-
nejnižšími místy údolí, co nejvíce využívat současné koryto (!! napojení na staré koryto = nejcitlivější místo), pozor na nevhodné rozčlenění pozemků, křížení komunikací kolmo max 60° max využít stávající koryto x výlučně geometrické prvky trasa plynulá se střídáním protisměrných oblouků přímé úseky pokud možno nenavrhovat (x zastavěná území, křížení s komunikacemi, u trasy z kružnicových oblouků): proudění = dvojitá šroubovice => lavice uprostřed toku, nestabilní proudnice Stěhovavá kyneta u velkého rozdílu návrhového průtoku a tzv. sanačního průtoku: delší trasa = nižší sklon = větší hloubka tvar oblouku charakterizuje křivost r 1 ρ= r v inflexních bodech r=0 (r = 0), ve vrcholu oblouku r = max (r = min)
Osa koryta a čára křivosti: a) Kružnice b) sinusoida
Proudnice v navržené trase
• Jednoduchý kružnicový oblouk (konstantní křivost) - Dle ČSN: poloměr rmin = 6 B, (10B ÷ 20B malé toky) přímá L = 2B ÷ 4B (2-3B dlouhé oblouky a oblouky s malou křivostí; 3-4B oblouky s velkou křivostí a krátkými oblouky) t 2a
v
o
t = R ⋅ tg β π ⋅ R ⋅ 2β o= 180 2 β = 180 − 2α
2b
- výhody: jednoduchý výpočet hlavních vytyčovacích prvků (R, 2a, t, -
o), podrobné vytyčovací tabulky, jednoduchý návrh nevýhody: skokové měnění křivosti = nestálá proudnice
• Složené kružnicové oblouky (stupňovitě proměnlivá křivost) - nejčastěji používané oblouky s proměnlivou křivostí, kružnice – stupňovitá změna R, délky jednotlivých částí kružnic by měly být shodné - výhody: změna křivosti po délce oblouku, rozsah vytyčovacích tabulek a jednoduchost křivky (x lemniskáta) - nevýhody: větší pracnost výpočtu hlavních vytyčovacích prvků (x jednoduché kružnicové oblouky)
Souměrný složený kružnicový oblouk
• Obecná sinusoida (plynule proměnlivá křivost) - nejvhodnější křivka, odpovídá přirozeným stabilizovaným korytům,
y = a ⋅ sin nx -
a ......... vzepětí půlvlny (amplituda), n ...... frekvence sinusoidy relativně složité výpočty, nejsou vhodné vytyčovací tabulky => v praxi se nepoužívá
• Lemniskátový oblouk (plynule proměnlivá křivost) • používá se v ČR • výhoda: plynule proměnlivá křivost od r= 0 ÷ r= max, určení hl. vytyčovacích prvků, jednoduchá rovnice, vytyčovací tabulky • nevýhoda: pozvolná změna křivosti (x klotoida), pracnost výpočtu délky oblouků
Bernoulliho lemniskáta
Návrh průtočného profilu • •
Stanovení velikosti návrhového průtoku: jednotkový hydrogram (M. Kemel: Klimatologie, meteorologie, hydrologie) Empirické vzorce (vzorec Sokolovského, Čerkašina – tvar a velikost povodí, zalesněnost, sklon povodí) ČHMÚ Volba návrhového průtoku: Louky, lesy, pastviny
Q30d – Q1
Orná půda (dle bonity)
Q5
(Q20)
Sady, zahrady, chmelnice
Q10
(Q5 – Q20)
Menší sídliště
Q20 – Q50
(≥ Q20)
Větší sídliště, výrobní objekty
Q50 – Q100
(≥ Q50)
Historická zástavba
Q100
(≥Q100)
Komunikace (dle významnosti)
≥ Q10
Kapacita profilu • •
Ustálené x neustálené; rovnoměrné x nerovnoměrné Ustálené rovnoměrné: – 1. Chézyho rce: C … Chézyho rychlostní koef iE … sklon čáry energie (iE = id) v = C ⋅ R ⋅ iE R … hydraulický poloměr
Q = v⋅S
– 2. Manningova rce: n .. Manningův součinitel drsnosti
1 2 / 3 1/ 2 v = ⋅ R ⋅i n R1 / 6 v= n
R ⋅ iE
Vztahy pro určení součinitele C a n Manning 1889 Pavlovskij 1925
1 C = R1 / 6 n
n > 0.011 0,3 < R < 5 m
1 p R n P = 2,5 n − 0,13 − 0,75 R ( n − 0,1)
R < 1 m, P = 1,5 n0,5 R > 1 m, P = 1,3 n0,5 0,11
R C = 17,72(0,77 + log ) d 50
Ověřen pro: 0,15 m < R < 2,25 m 0,004 m < d50 < 0,25 m
1 21,1 = 1/ 6 n d
de vážený průměr z čáry zrnitosti
1 26 = 1/ 6 n d
zrno, kdy 90% zrn menších d90
C=
Martinec 1958
Strickler 1923
e
Meyer-Petr 1948
90
Havlík, Marešová: Hydraulika – příklady, str. 205
•
V případě, že nd ≠ ns (části obvodu s různou drsností): kde je oi … dílčí omočené obvody n= ni …drsnostní součinitel příslušného obvodu
∑o ⋅n i
i
o
⎛ ∑ oi ⋅ n n = ⎜⎜ o ⎝
•
Složené profily: dělící svislice n = 0,02 (vyšší vodní stav - snižuje se n)
2 i
1/ 2
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
⎛ ∑ i ⋅ni3 / 2 ⎞ ⎟ n = ⎜⎜ ⎟ o ⎝ ⎠
2/3
Stabilita průřezu •
Metoda tečných napětí metoda vychází z Mayer-Peter rce
τ od = τ c + τ
tod – tečné napětí na dně od tekoucí vody tc – kritické tečné napětí
" o
t“o – tečné napětí pro udržení splavenin nulový pohyb splavenin t“o = 0
⎛ kd ⎞ τ 0 d = ρ ⋅ g ⋅ Rd ⋅ i ⋅ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ ks ⎠ τ c = A ⋅ (ρs − ρ ) ⋅ g ⋅ de
2/3
kd/ks .. Celková drsnost koryta / drsnost zrna pro rovné dno =1 pro nerovné dno se štěrkovými lavicemi =0,75 vysoce vyvinuté dnové útvary =0,5 I …… sklon dna [ - ] Rd ….hydraulický poloměr příslušící dnu [m] g ….. gravitační konstanta 9,81 m.s-2 r ….. měrná hmotnost vody 1000 kg.m-3 rs….. měrná hmotnost splavenin 2650 kg.m-3 A ….. součinitel; 0,03; 0,047; 0,068 de…. průměr efektivního zrna [m]
τ c > τ 0 d ⇔ stabilní τ c < τ 0 d ⇔ nestabilní (změna parametrů toku)
Stabilita průřezu •
Metoda nevymílací rychlosti: metoda vychází z Mayer-Peter rce (kvadratické pásmo odporů, zrno > 4mm, ověřena do d = 30 mm)
⎛k vv = 5,88 ⋅ ⎜⎜ d ⎝ ks
1/ 4
⎞ ⎟⎟ ⎠
⋅ Rd1/ 6 ⋅ d e1/ 3
kd/ks .. Celková drsnost koryta / drsnost zrna pro rovné dno =1 pro nerovné dno se štěrkovými lavicemi =0,75 vysoce vyvinuté dnové útvary =0,5 Rd ….hydraulický poloměr příslušící dnu [m] de…. průměr efektivního zrna [m]
vv > v ⇔ stabilní vv < v ⇔ nestabilní (změna parametrů toku)
Iterační výpočet v excelu b
y
n
i
S
O
R
[m]
[m]
[]
[]
[m2]
[m]
[m]
0.05
0.50
0.0375
0.0045
0.5224
2.2804
0.2291
0.1
0.49
0.0375
0.0045
0.5217
2.2751
0.2
0.46
0.0375
0.0045
0.5215
0.3
0.44
0.0375
0.0045
0.4
0.42
0.0375
0.5
0.40
0.6
C
v
Q
Vv
[m.s-1]
[m3.s-1]
[m.s-1]
20.8594
0.670
0.350
2.489
0.2293
20.8630
0.670
0.350
2.488
2.2710
0.2296
20.8679
0.671
0.350
2.486
0.5219
2.2735
0.2295
20.8663
0.671
0.350
2.484
0.0045
0.5222
2.2814
0.2289
20.8568
0.669
0.350
2.481
0.0375
0.0045
0.5240
2.2975
0.2281
20.8444
0.668
0.350
2.477
0.38
0.0375
0.0045
0.5260
2.3187
0.2268
20.8253
0.665
0.350
2.473
0.7
0.37
0.0375
0.0045
0.5279
2.3447
0.2252
20.7994
0.662
0.350
2.468
0.8
0.35
0.0375
0.0045
0.5312
2.3779
0.2234
20.7723
0.659
0.350
2.463
0.9
0.34
0.0375
0.0045
0.5355
2.4172
0.2215
20.7433
0.655
0.351
2.458
1
0.33
0.0375
0.0045
0.5383
2.4574
0.2191
20.7043
0.650
0.350
2.452
1.1
0.31
0.0375
0.0045
0.5430
2.5051
0.2168
20.6682
0.646
0.351
2.446
1.2
0.30
0.0375
0.0045
0.5472
2.5551
0.2142
20.6266
0.640
0.350
2.440
1.3
0.29
0.0375
0.0045
0.5515
2.6083
0.2114
20.5824
0.635
0.350
2.433
1.4
0.28
0.0375
0.0045
0.5571
2.6669
0.2089
20.5411
0.630
0.351
2.427
1.5
0.27
0.0375
0.0045
0.5612
2.7255
0.2059
20.4920
0.624
0.350
2.420
1.6
0.27
0.0375
0.0045
0.5665
2.7885
0.2031
20.4458
0.618
0.350
2.414
1.7
0.26
0.0375
0.0045
0.5716
2.8535
0.2003
20.3977
0.612
0.350
2.407
1.8
0.25
0.0375
0.0045
0.5770
2.9212
0.1975
20.3503
0.607
0.350
2.401
1.9
0.24
0.0375
0.0045
0.5826
2.9911
0.1948
20.3029
0.601
0.350
2.394
2
0.24
0.0375
0.0045
0.5883
3.0629
0.1921
20.2556
0.596
0.350
2.388
Niveleta dna • • • •
Z návrhu profilu => ist => stupně, prahy Raději více nižších prahů (< 30 cm) než jeden stupeň (> 30 cm) Tvar, opevnění, výška závislá na migrační prostupnosti toku (min 90 dnů) Pod stupněm disipace energie => velká drsnost = opevnit
Opevnění koryta • • •
pokud je koryto v některých částech nestabilní v > vv (t > tc), Jaká část profilu? Dno, svah, pata svahu Jaké materiály? tvrdé, pružné, vegetační opevnění
•
Vegetační opevnění - travní porost: vv až 4,0 m.s-1 (průměr 2,0 m.s-1), rozhoduje stáří a druh!, v počátku matrace, folie, geotextílie, humusování, pokládat travní drn, pro hladiny nad Q180d – Q90d; osetí, drnování, hydroosev - vrbový porost: ~ 2x odolnější než travní porostu, bohatý kořenový systém, ohebnost větví, snadné osázení (řízky), mnoho druhů, !velice ovlivňuje průtočný profil!
•
Nevegetační opevnění -pokud nelze použít vegetační, tečná napětí, - pohozy: prosté x stabilizované, těžké x lehké, sklon max 1:2,5, min tloušťka 15 cm (3 de), jemnozrnné zeminy – štěrkový filtr, nad 1:3 opírat o záhozovou patku - záhozy: velice odolné, pro ochranu paty svahu,
-
kamenná rovnanina: kameny > 20cm, klínují se, velice odolné kamenná dlažba : na sucho, se zalitím spar, na cementovou maltu, do betonu, Trávobetonové tvárnice: Tvárnice klas: Drátokamenné tvárnice:
- Parametry opevnění (n, Vv, apod.) ve skriptu : K.Mareš - úpravy toků (Navrhovní koryt) nebo Havlík, Marešová – Hydraulika - příklady
Děkuji Vám za pozornost
