12/9/2013
Vodní stavby na tocích zatížení vodních staveb jezy a vodní cesty
doc. Ing. Petr Valenta, CSc. Katedra hydrotechniky
Statické řešení stability jezu Zatížení ČSN 730035 Zatížení stavebních konstrukcí ČSN 737502 Zatížení vodohospodářských objektů
Stálé
(vodní tlak, zemní tlak, vl. tíha)
Nahodilé
dlouhodobé (demontovatelné zařízení,vodní tlak, zemní tlak, teplotní vlivy, smršťování, dotvarování, sedání) krátkodobé (tlak ledu, vítr, sníh, nárazy plavidel, dopravní a montážní zařízení) extrémní (extr. vodní tlak, seismické účinky, přetvoření podloží)
Charakteristické (normové) – mezní stav použitelnosti (přetvoření konstrukce) Návrhové (výpočtové) – mezní stav únosnosti (normové x součinitel zatížení f)
1
12/9/2013
Nejčastější druhy zatížení Vlastní tíha konstrukce objem x objemová tíha dle příslušných ustanovení norem, v odůvodněných případech dle laboratorních zkoušek f<
1 – účinek vl. tíhy pozitivní (posouzení stabilty – 0,9)
f > 1 – účinek vl. tíhy negativní (posouzení únosnosti – 1,1)
beton 23 – 25 kNm-3
Zemní a horninový tlak ČSN 730037 Zemní a horninový tlak na stavební konstrukce tlak v klidu, aktivní a pasivní zemní tlak
Zemní tlak
pa
z
hKa
Ka
tg 2
4
Ea
1 2
z
h2 Ka
pp
z
1 2
Ep
tg 2
Kp
K0 1 sin
2
hK p
4
z
h2 K p
2
Vliv soudržnosti
pa
z
hK a 2c K a
resp. p p
z
hK p 2c K p
Aktivní
h Ea
Pasivní
h
Ep pp
pa
2
12/9/2013
Zatížení vodním tlakem
zatěžovací obrazce – svislá stěna
Hydrostatický tlak p – hydrostatický tlak
p
w
h
P
1 2
w
h2 h
P h 3 w
.h
zatěžovací obrazce
Hydrostatický tlak
horní voda vzpěrná vrata (Labe, Hořín) dolní voda
P1
P2
horní voda
dolní voda
P
3
12/9/2013
Hydrostatický tlak
p
w
h
P1
1 2
h
2
w 1
zatěžovací obrazce – šikmá stěna přímá metoda
řešení ve složkách fiktivní svislá stěna
Pv
P1 h1
P2 w
h1 Ph
h
.h1
h
h2 w
h2
.h w
.h
Hydrostatický tlak na zakřivenou plochu
p
w
h řešení ve složkách
přímé řešení - složité
1/ horizontální složka síly
fiktivní svislá stěna
h wh
Ph P
Ph
h
w
h
4
12/9/2013
Hydrostatický tlak na zakřivenou plochu
2/ vertikální složka síly
Pv
3/ složení sil
A.
w
Ph h
P
Pv P
Hydrostatický tlak na zakřivenou plochu aplikace – zatížení segmentového uzávěru vodním tlakem stěna
hladina
Pv
fiktivní svislá stěna
h1
h1 w
h
.h1
Ph
C
P
dno w
.h
1/ promítni zakřivený povrch do svislé roviny, vypočti horizontální složku síly 2/ spočítej vertikální složku síly jako tíhu sloupce vody nad zatěžovaným povrchem (vytlačený objem) 3/ vypočítej velikost a směr výsledné hydrostatické síly
5
12/9/2013
Zemní a horninový tlak Zemní tlak nadlehčené zeminy – kombinace hydrostatického tlaku a tlaku nadlehčené zeminy
Alternativní přístup - tlak zvodnělé zeminy (jemnozrnné nánosy, bahno) – jako 2 kapaliny
Zatížení vodním tlakem tlak hydrostatický x hydrodynamický w
= 10 kNm-3
f
= 1,0 (1,1 – 1,2 dynam.)
pro periodické působení zjednodušeně navíc dynamický součinitel
= 1,3 – 2
hydrodynamický tlak výzkumem (nejen pro výpočty, ale i pro provoz (mezipolohy uzávěrů)
6
12/9/2013
Působení vln síla působící při zastavení vlny o jezové těleso
F
v
(h 2hv h0 )h 2
v
h2 2
kde
h0
2 hv l
2
parametry vlny l = délka, hv = výška vlny nad hladinou – poloviční výška vlny (měřením či výpočtem, detaily viz skripta HS1) závisí na síle větru, délce rozběhu vlny, sklonu a materiálu svahu, .... pro jezy jednoduchý vztah
hv
0,37 L 0,274 L 0,76
L – délka zdrže ve směru větru
Další možné typy vln větrové (viz výše), od pohybu plavidel, translační vlny, rázové vlny
Působení ledu
L
h
roztažení při oteplení
přitížení poklesem hladiny
přitížení vahou ledu
podrobnosti výpočtu viz skripta HS1, problémem je získání podkladů (tloušťky a fyz. vlastnosti ledu, gradient nárůstu teploty) – používají se orientační hodnoty Fl =h.m.p
tlak ledu při zvýšení teploty (pružně plasický stav), m = f(délky rozepření L)
ochrana proti působení těchto sil – např. ohřev konstrukcí, bublinkování dynamické účinky ledu – náraz ker, prořezávání pilíři či pád ker do vývaru vychází se z hybnosti (pohybové energie) pohybující se kry – změna na silové působení za daný časový okamžik
7
12/9/2013
Průsak pod jezem a vztlakové síly Problematika prosakování pod jezem A/ Prosakující voda působí vztlakem a ohrožuje stabilitu stavby. B/ Prosakující voda může vymývat jemné částice (sufoze) – nebezpečí prolomení podloží
horní voda ztráty spád hydraulická výška
dolní voda
průsaková dráha délky L Charakteristiky proudění podzemní vody 1/ hydraulická výška H
(stanovení vztlaku)
2/ hydraulický gradient i = dH/dL
(posouzení vnitřní eroze)
3/ filtrační rychlost v = i . k (Darcyho zákon)
k = hydraulická vodivost
Vztlaky přesná metoda – numerické modely založené většinou na metodě konečných prvků přibližné metody – Bligh, Lane průsaková teorie Předpoklady : 1/ prosakující voda obtéká rozvinutý obrys spodní stavby 2/ ztráty hydraulické výšky jsou úměrné délce průsakové dráhy (lineární průběh přetlaku, konstantní gradient hydraulické výšky)
štětová stěna
průsaková dráha délky L
L
Lv
Lh
8
12/9/2013
Přibližné řešení vztlakových sil – průběh přetlaku nad dolní vodou a vztlaku
Bezpečnost proti vnitřní erozi Návrh délky obrysu - přibližná podmínka zajišťující bezpečnost proti vyplavování částic c – konstanta (dle Laneho : tuhý jíl 1,8 jemný písek 7,0)
L > c.H Lane Bligh
L
L
Lv
Lv
1 3
Lh
anizotropie, větši propustnost vodorovně (vrstvy)
Lh
9
12/9/2013
Stabilita proti posunutí •v základové spáře •po smykové ploše v podzákladí
rozhoduje nejnepříznivější
•po pracovní spáře
základová spára rovnoběžná s výslednicí sil – reálné posunutí v základové či pracovní spáře n
Fud
stp
Uu
Uu
Nd
c Ac
součinitel účelu x vodorovná výslednice sil
souč. stability polohy x výpočtový odpor proti posunu
od extr. zatížení
(0,9)
součinitel účelu - dle významu následků při porušení stavby třída
Druh objektu
Součinitel účelu
Ia
přehradní hráze a jezy nad 5m, funkční objekty
1,2
Ib
jezy do 5 m, VE, PK, štoly, tlak. potrubí, ...
1,1
Ic
nábřežní zdi, plavební kanály, ...
1,0
Stabilita proti překlopení
n
M act
stp
M pas
1,0
stp
u skalního podloží osa otáčení v návodní patě, jinak jsou možné různé možnosti pootočení konstrukce (počítá se se zatlačením konstrukce do zeminy a vznikem napětí v zákl. spáře) u jezů (menší výška, dlouhá spodní stavba) obvykle rozhoduje spíše stability proti posunutí
Stabilita proti zdvihu vztlakem vody n
Fvd
stp
Uv
stp
1,0
rozhodující u tenkých desek (vývarová deska), možnosti – kotvení, lomené dilatace, drény (redukce vztlaku až 60%) nutné zajištění trvalé funkčnosti a zamezení vyplavování (filtry)
Posouzení napětí v základové spáře (mezní únosnost) a maximální deformace podloží metody mechaniky zemin a zakládání staveb, vzhledem k velkým plošným rozměrům obvykle není rozhodující Velký význam však může mít nerovnoměrné sedání (křížení hrad. konstrukcí, ...) u nehomogenního podkladu
10
12/9/2013
Přehrady
Jezy Neregulují průtoky
Regulují a řídí odtok
Malý přípustný rozsah kolísání
Velký rozsah kolísání hladiny
Povodně bez ovlivnění, jez přeléván, hladina výrazně nad normální hladinou
Při povodni se uplatňuje retenční prostor
Obvykle nižší
Obvykle vyšší
Nutno zajistit průchod splavenin (rychlosti)
Splaveniny zůstávají v nádrži (v horní části)
Průchod ledů
Ledy zůstávají v nádrži až do tání
Řada společných prvků – společné postupy a související obory (hydraulika, statika, atd., atd.)
Účel jezů Zmenšení sklonu toku, stabilizace (snížení rychlostí, vymílání) Zajištění hloubek v místě odběrů Soustředění spádu pro energetické využití Zajištění plavebních hloubek (kanalizační metoda splavnění) Stabilizace hladiny na úrovni optimální pro přilehlé okolí Rekreace, estetika (kolísání hladin ve městě apod.)
Popis prvků pevného jezu – příčný řez
Nevýhody
Výhody
Nedá se regulovat hladina
Levné, jednoduché
Převádění ledů
Nepotřebují obsluhu
Průchod splavenin
Dobře zapadají do krajiny
Vzdutí hladiny při povodni Použití tam, kde nevadí kolísání hladiny a tam, kde účinky mají pozitivní charakter (horské toky – stabilizace dna)
11
12/9/2013
Popis prvků pevného jezu – půdorys
Popis prvků pohyblivého jezu – axonometrické schéma
Částečná či úplná eliminace negativních účinků pevného jezu Dražší, obsluha, vyšší pilíře, větší zásah do krajiny
12
12/9/2013
Základní hydraulický výpočet - kapacita jezu Kapacita jezu > návrhový průtok (většinou Q100) jezová pole
Q = průtok, m3/s
Bazinova rovnice
b0 = efektivní šířka jezu, m m = součinitel přepadu, průměrně 0.45 g = gravitační zrychlení 9.81
(dokonalý a nedokonalý přepad]
Q
Q
h0 = přepadová výška, m
m b0 2 g h0 z
3/2
m b0 2 g h0
3/2
Tvar spodní stavby jezu
•skalní podloží (nepropustná únosná vrstva) v malé hloubce (do 5 metrů) •skalní (nepropustné) podloží v dosažitelné hloubce (do 12 m) •založení na propustném podloží
13
12/9/2013
Založení jezu přímo na skalním podloží
Z hlediska mechanizace výhodná prakticky vodorovná základová spára (odstranění povrchových zvětralých vrstev)
Založení jezu přímo na skalním podloží (zavázání pomocí ozubů)
Zahloubené ozuby - zvyšují stabilitu a při rozpukaném prostředí snižují průsaky (alternativně injektáž)
14
12/9/2013
Založení jezu na ozubech (skalní podloží do 5 m)
Založení až na skálu neekonomické – úspora betonu pomocí založení na ozubech
Založení jezu se svislou těsnící stěnou (resp. 2 stěnami)
šikmá část – omezení vztlaku
do 15 – 20 m
15
12/9/2013
Nepropustné podloží ve značné hloubce – kombinace svislých a vodorovných těsnících prvků
Částečné omezení průsaků, prodloužení průsakové dráhy
Typy podzemního obrysu základu jezu drény ve vývarové desce snížení vztlaku (musí ale fungovat )
bez drénů a filtrů
nutné filtry problematické u jemných písků, zemin s prach. částicemi
jednoduché, levné pro nižší jezy
dtto pod celou spodní stavbou (odvodnění do štoly)
málo časté odvodnění hlubších vrstev podzákladí
při ohrožení prolomení izolační vrstvy při anizotropii při nutnosti snížení porových tlaků (smyková plocha prochází podzákladím, příp. potřeba urychlení konsolidace)
16
12/9/2013
Pevné jezy dle materiálu
dle tvaru příčného řezu
dle vodotěsnosti
dřevěné
se svislou stěnou
propustné
kamenné
střechovitý tvar
nepropustné
zděné
lichoběžníkový tvar
betonové
se zaoblenou korunou
železobetonové
proudnicový tvar
kombinované
zvláštní konstrukce (násoskové, pilířové)
půdorysné uspořádání pevných jezů
Dřevěné jezy
kamenný jez s pilotovou stěnou
dřevěný jez Pražského typu
srubový jez
Materiál – dřevo : dub, modřín, borovice Výplň – kamenivo s jílovitou zeminou
Staroměstský jez (13. století)
17
12/9/2013
betonový jez
štěrková propust
Pohyblivé jezy dle ovládání
dle přenášení zatížení
dle obsluhy
ručně
do spodní stavby
automatické
mechanizmy
do pilířů
změnou tlaku vody
do pilířů i spod. stavby
poloautomatické (vyhrazení)
dle členitosti
s trvalou obsluhou klasifikace pohyblivých jezů
celistvé členěné
dle pohybu (ČSN 736513 Jezy) poklopové stavidlové segmentové válcové hydrostatické vakové
18
12/9/2013
Dutá klapka podpíraná
Dnes nejčastější, má však též nevýhody : délka válce – hloubka spodní stavby (řeší se vyšším Jamborovým prahem) koncentrované síly – armování přístupnost jen při provizorním zahrazení, zanášení šachtice hydromotoru
Dutá klapka podpíraná
Dnes nejčastější typ jezové konstrukce (Týnec nad Labem, Klecany, Modřany, Trója)
19
12/9/2013
Segmentové jezy – hlavní konstrukční prvky (klasická konstrukce)
Segmentové jezy současná konstrukce
Tuhá skříňová konstrukce umožňuje jednostranný pohyb (pouze u menších jezů)
20
12/9/2013
Pohybovací mechanizmy
Gallovy řetězy (alternativně hydraulické válce)
Příklad skříňové konstrukce segmentu s nasazenou dutou klapkou
21
12/9/2013
Stavidlové jezy
Základní charakteristika : deskový tvar hradící konstrukce s pohybem ve svislém směru, přenos zatížení do pilířů
Členění stavidlových jezů podle pohybu zdvižné a spustné
Zdvižné : přepouštění průtoků i splavenin spodem neumožňují hladké přepouštění ledových ker, vnitrovodního ledu a plovoucích předmětů hrubá regulace výtokem
Spustné : naopak
22
12/9/2013
Pohybovací mechanizmy - strojovna
Pohybovací mechanizmy - strojovna
Poděbrady
23
12/9/2013
Pohybovací mechanizmy - strojovna
Moravský jez na Orlici v Hradci Králové
Válcové jezy
typické hrazené výšky 1- 3 m a rozpětí do 30 m
24
12/9/2013
Hydrostatický sektor
hinge
tlačná komora
emptying valve
25
12/9/2013
Vakový jez
Typické hrazené výšky 1-3 m a rozpětí do 50 m
Vodní cesty a plavba vodní doprava vnitrozemská námořní
hlavní výhody vodní dopravy malý odpor lodí
nižší spotřeba PHM
velká nosnost a velké úložné prostory (přeprava objemných a těžkých kusů, hromadných substrátů) malá hmotnost lodě v poměru k hmotnosti nákladu málo početná obsluha malé narušení životního prostředí
26
12/9/2013
TEU = twenty-foot equivalent units (kontejner l = 20 stop)
1 lodní jednotka 1500 t = 38 vagonů à 40 t = 60 nákladních aut à 25 t studie PLANCO Consulting Gmbh (2007)
Vodní cesty ČR
27
12/9/2013
Druhy plavidel na vnitrozemských vodních cestách Nákladní čluny - lodě bez vlastního pohonu Otevřené - uhlí, rudy, štěrkopísky ap. Zavřené - obilí, kusové zboží ap. Vlečné - tvarově upraven k vlečení na laně za remorkérem (špičatá příď, vlastní kormidlo) Tlačné - pevně nebo kloubově připojen k remorkéru, podkosená příď
Druhy plavidel na vnitrozemských vodních cestách Remorkéry - určeny k vlečení či tlačení člunů Vlečné - tvarově upraven k vlečení člunů (špičatá příď, zaoblená záď) Tlačné - upraven k tlačení člunů (krátký, obdélníkový, kormidelna vysoko)
28
12/9/2013
Druhy plavidel na vnitrozemských vodních cestách Motorové nákladní lodě - motor + strojovna + nádrže = menší nákladový prostor Rychlá přeprava cennějšího zboží Kryté, nekryté
Druhy plavidel na vnitrozemských vodních cestách Osobní lodě, parníky
29
12/9/2013
Progresivní způsoby přepravy - kombinovaný kontejnerový dopravní systém
univerzální uzavřený ISO (vodotěsný)
otevřený
na sypké substráty
plošinový
chladící
cisterna
Vnitrozemské vodní cesty - přirozeně splavné vodní toky a jezera (pouze dolní úseky velkých toků – Rýn, Dunaj) - regulačně a kanalizačně splavněné toky - průplavy
Regulační úpravy lokální úpravy trasy,úpravy šířky a poloměru oblouků, koncentrování průtoku do užšího koryta za účelem zajištění plavebních hloubek v málovodných obdobích Regulační úpravy 1 – opevnění břehu 2 –podélná usměrňovací hráz 3,4 – příčné hrázky 5 – koncentrační výhony
Hlavní výhoda – přírodě blízká opatření Hlavní nevýhoda – přetrvávající závislost na místních přírodních a hydrologických podmínkách
30
12/9/2013
Regulační výhon na Labi v blízkosti Roudnice nad Labem (Harke, 2009)
jez a PK
jez a PK
Kanalizační splavnění
Hlavní výhoda – zajištění plavebních hloubek za všech průtokových stavů, malé rychlosti proudění (možnost hydroenergetického využití)
31
12/9/2013
Umělé plavební kanály – průplavy
druhy těsnění plavebního kanálu jílovitá zemina hydraton (jíl, písek, vodní sklo, soda) cementopísková směs umělá fólie asfaltobeton beton železobeton
Základní parametry vodní cesty Šířka plavební cesty B = 2b +3 Db dvousměrný provoz B = b +2 Db
Db = bezpečnostní vzdálenost (3 - 5 m)
jednosměrný provoz
Plavební hloubka
ponor + marže
d = Tmax + Dt
Dt = 0,3–0,5 m (0,5–1 m )
Hydraulický parametr n
n = min 5, lépe 6.5 – 7 (místně 2 – 3 tunely, akvadukty)
Podjezdná výška hp Rozšíření v obloucích
pro R < Rmin Bo = B + DB, DB = L2/(2R+B)
rozměry jsou dány Klasifikací evropských vnitrozemských vodních cest (7 tříd, 4-7 mezinárodní cesty)
32
12/9/2013
Klasifikace vnitrozemských vodních cest cest Klasifikace vnitrozemských vodních Druh cesty
Místního významu
Třída cesty (1)
I II III
Mezinárodního významu
Motorové nákladní lodě a čluny Tlačná sestava Nejmenší výška pod mosty (m) Hlavní charakteristika plavidla Hlavní charakteristika sestavy (4) délka (m) výška ponor nosnost délka (m) výška ponor nosnost (m) (m) (2) (t) (m) (m) (2) (t) (3) 38,5 5,05 1,80 250-400 2,20-4,00 50-55 6,60 2,50 400-650 4,00-5,00 67-70
8,20
2,50
650-1000
10001500 15002400
IV
80-85
9,50
2,50
Va
95-110
11,40
2,50
Vb
2,80
4,00-5,00
85
9,50
2,50-2,80
95-110
11,40
2,50-2,80
172-185
11,40
2,50-2,80
VIa
95-110
22,80
2,50-4,50
VIb
185-195
22,80
2,50-4,50
VIc
270-280
22,80
2,50-4,50
12501450 16001850
5,25 nebo7,00 (5) 5,25 nebo 7,00 (5)
32003700 32006000 640012000 960018000
7,00 nebo 9,10 7,00 nebo 9,10 9,10
VII
Poznámky ke klasifikační tabulce: 1. Třída vodních cest je určena půdorysnými rozměry člunů nebo tlačných sestav. 2. Údaj ponoru pro konkrétní vodní cestu musí být určen s přihlédnutím k místním podmínkám. 3. Uvedené údaje jsou charakteristické pro sestavy s nejrozšířenější nosností používané na daných vodních cestách. 4. S přihlédnutím k bezpečnostní vzdálenosti cca 30 cm mezi vrchním bodem konstrukce lodi nebo a spodní hranou mostní konstrukce. 5. 5,25 m - pro plavidla přepravující kontejnery ve dvou vrstvách 7,00 m - ve třech vrstvách. 6. Prvé označení se uvádí podle současné situace, druhé s přihlédnutím k budoucím změnám a v některých případech současné situace.
Objekty na vodních cestách
Plavební komory
spád (obvykle < 20 m)
vrata komory
dělící zeď
Konstrukční typy bočních zdí
side culverts
štětové stěny
tížné zdi
úhelníkové opěrné zdi
polorám
33
12/9/2013
Vrata plavebních komor stavidlová
poklopová (klapka) spustný segment
vzpěrná
vějířová
Plavební komory Komory dle způsobu plnění 1. s nepřímým plněním (s krátkými, středními a dlouhými obtoky) 2. s plněním přímým
PK Hradišťko (před rekonstrukcí)
34
12/9/2013
Vrata plavebních komor
Vzpěrná vrata velké plavební komory v Hoříně
Vrata plavebních komor
Čábelkova vrata pro přímé plnění
35
12/9/2013
Vybavení plavebních komor
přivazovací zařízení – pacholata, přivazovací trny, kruhy a háky žebříky – až na dno komory, po 25 m signalizace – světelné semafory řídící provoz proplouvání osvětlení – provoz komory v noci a za zhoršených podmínek dynamická ochrana vrat centrální ovládání (velín) a automatizace provozu
Lodní zdvihadla Oblast použití plavebních komor – do cca 20 m spádu - u zdvihadel podstatně více
Podle pohybu
Podle transportního zařízení
Svislá
žlab (s vodní náplní)
Šikmá
plošina (doprava nasucho) Druhy svislých lodních zdvihadel
S protizávažím
Pístové
Plovákové
36
12/9/2013
Lodní zdvihadla svislá
Jean-Pol Grandmont, 2005
Svislé lodní zdvihadlo s protizávažím (Strépy, Canal du Centre , Belgie) rok 2002, H = 73 m (dosud nejvyšší), 112 x 12 m, tíha 1 vany cca 7500 tun
Lodní zdvihadla svislá
© Raimond Spekking / CC-BY-SA-3.0 (via Wikimedia Commons)
Svislé plovákové lodní zdvihadlo Henrichenburg (kanál Dortmund-Ems, Německo) rok 1962, H = 14 m, 90 x 12 m, 2 x šachta s plovákem (40 m), pohyb vřetenovými tyčemi
37
12/9/2013
Lodní zdvihadla svislá
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e5/PeterboroughLiftLock23.jpg
Svislé pístové lodní zdvihadlo Peterborough (Trent-Severn Waterway, Ontario, Kanada) rok 1904, H = 19,8 m (nejvyšší hydraulické zdvihadlo na světě)
Lodní zdvihadla šikmá
Šikmé lodní zdvihadlo s příčným žlabem (kanál Marne - Rýn)
Patrick Giraud, 2005
rok 1969, H = 44 m, vyvážení 2 x 450 tun, čas cca 4 min, 40 m3 vody náhrada za 17 komor (čas cca 8 hodin, cca 10 000 m3 vody)
38
