HYDRAULICKÉ JEVY NA JEZECH Doc. Ing. Aleš Havlík, CSc. ČVUT v Praze, Fakulta stavební Katedra hydrauliky a hydrologie
1. REŽIMY PROUDĚNÍ S VOLNOU HLADINOU Proudění říční, kritické a bystřinné 2. PŘEPADY PŘES JEZOVÉ TĚLESO Dokonalý a nedokonalý přepad, vysoký stupeň zatopení 3. VODNÍ SKOK Typy, charakteristiky a poloha vodního skoku 4. TLUMENÍ ENERGIE POD JEZOVÝMI OBJEKTY Vývary, bezvývarové jezy 5. ZHODNOCENÍ Z POHLEDU BEZPEČNOSTI VODÁCKÉ TURISTIKY
PROUDĚNÍ ŘÍČNÍ, KRITICKÉ A BYSTŘINNÉ Ed = f (y) při Q = konst. v2 Q2 Ed y y 2 g 2 g S2 Ed energetická výška
1. ŘÍČNÍ PROUDĚNÍ Dominantní část energetické výšky profilu tvoří hloubka proudění 2. KRITICKÉ PROUDĚNÍ Zvláštní režim proudění při vynaložení minima energetické výšky profilu Ed 3. BYSTŘINNÉ PROUDĚNÍ Dominantní část energetické výšky profilu tvoří rychlostní výška
PŘECHOD MEZI REŽIMY PROUDĚNÍ říční bystřinné: plynulý přechod bystřinné říční: vodním skokem s dnovým režimem s povrchovým režimem (přelivy s odrazníkem)
PROUDĚNÍ PŘES JEZOVÉ OBJEKTY Dokonalý přepad přes jezová tělesa h f(yd) Q m b 2 g h30 2 Nedokonalý přepad přes jezová tělesa h = f(yd) Q σ z m b 2 g h30 2 h H hs Změna režimu proudění z říčního na bystřinný v okolí přelivné hrany s sd yd Vodní skok v místě opětovné změny režimu proudění na říční Proudění při vysokém stupni zatopení dolní vodou V profilu přelivné hrany se nevytvoří kritická hloubka, proudění zůstává v říčním režimu bez vodního skoku
UKÁZKA PROUDĚNÍ PŘES JEZ PŘI VYSOKÉM STUPNI ZATOPENÍ DOLNÍ VODOU Vltava - Helmovský jez VIII 2002
VODNÍ SKOK S DNOVÝM REŽIMEM Pro charakter vodního skoku rozhodující Froudovo číslo Fr před jeho začátkem Typ Fr Popis charakteristik vodního skoku I 1.0 1.7 Vlnovitý vodní skok (stojaté nebo pohybující se vlny) II 1.7 2.5 Slabý vodní skok (řada malých vln za sebou) III 2.5 4.5 Vlnovitý vodní skok IV 4.5 9.0 Prostý vodní skok (stabilní jasně ohraničený vodní skok) > 9.0 Silný vodní skok (jasně definovaný, mimořádně turbulentní) V
PARAMETRY VODNÍHO SKOKU Podíl energie rozptýlené vodním skokem Typ Fr Poměr y2/y1 I 1.0 1.7 1.0 2.0 < 5% II 1.7 2.5 2.0 3.1 5% 15% III 2.5 4.5 3.1 5.9 10.6 Hs 15% 45% IV 4.5 9.0 5.9 12.0 6 Hs 45% 70% V > 9.0 > 12.0 Délka 70% 85%
Vlnovitý vodní skok pod výtokem z plavení komory v Hoříně
POLOHA VODNÍHO SKOKU POD OBJEKTEM y2 = yd přilehlý y2 yd oddálený y2 yd vzdutý vzdouvá se o překážku součinitel vzdutí = yd / y2 > 1 vzdutý přilehlý oddálený
VZÁJEMNÉ HLOUBKY VODNÍHO SKOKU Vodní skok - charakterizován vzájemnými hloubkami y1 a y2 Prostý vodní skok Obecná rovnice vodního skoku prostého Q 2 Q2 S1z T 1 S2 z T 2 gs1 gs2 y1 8q2 y2 1 3 1 2 gy1 K141 HY2V y1 y2 2 Vodní skok 1 8 Fr12 1 14
HYDRAULICKÁ FUNKCE VODNÍHO SKOKU Významné snížení úrovně čáry energie ztrátou mechanické energie Zs v důsledku vysokého stupně turbulence proudu rozsáhlé víry převážně s vodorovnou osou existence svislých složek rychlostí směřujících ke dnu Zs y 2 y1 3 4 y1 y 2
TLUMENÍ ENERGIE POD JEZOVÝMI OBJEKTY Vývar snížení úrovně dna koryta pod jezem v délce vodního skoku (klasické nejčastěji používané řešení) Práh ve dně pod jezem Kombinace vývaru a prahu Bezvývarové řešení moderní přístup s pružným opevněním kamenným záhozem dna
VÝVAR Fyzikální podstata - stavební prohloubení dna pod jezovým objektem za účelem vytvoření vzdutého vodního skoku h Eo E s yd d K141 HY2V Vodní skok 17
HYDRAULICKÉ ŘEŠENÍ VÝVARU 1) určení návrhového průtoku y E yc y2 porovnání y2 a yd Návrhový průtok Qn pro Δymax = (y2 - yd)max y max v02 2g E h Z q qn v0 s s sd y2 yd qmax Qn vývaru často < Qn jezu yc = y 1 2) výpočet hloubky vývaru 3) výpočet délky vývaru Charakteristika vodního skoku ve vývaru: zejména pro průtoky blízké qn pro vývar vysoký stupeň turbulence doprovázený významnými svislými složkami rychlostí
BEZVÝVAROVÉ ŘEŠENÍ Podstata řešení založena na pružném opevněním kamenným záhozem dna v potřebné délce. Poloha vodního skoku se mění v závislosti na průtoku, vodní skok je zpravidla oddálený. V úseku mezi jezem a vodním skokem se vytvoří křivka vzdutí v bystřinném režimu proudění hloubka vody na začátku vodného skoku y1 bude větší než hloubka yc těsně za jezem Fr1 < Frc pravděpodobný výskyt vlnovitého vodního skoku s méně významnými svislými složkami rychlostí.
ZHODNOCENÍ Z POHLEDU BEZPEČNOSTI VODÁCKÉ TURISTIKY Největší nebezpečí hrozí v případě u silného nebo případně i prostého vodního skoku zejména pod vysokým jezem, jehož průvodním jevem jsou významné víry s vodorovnými osami doprovázenými svislými složkami rychlostí a povrchovými složkami rychlostí směřujícími proti hlavnímu směru proudění. Tato skutečnost je hlavní příčinou tragických důsledků zejména za výšených průtoků blízkých návrhovému průtoku pro dimenzování vývaru. Bezpečnějším řešením jsou bezvývarové jezy s oddáleným vlnovitým vodním skokem menších rozměrů bez významných svislých složek rychlostí.
Modelový výzkum Pro vodní skok jsou charakteristické prostorové i časové fluktuace složek rychlostí, které nelze s pomocí dostupných výpočetních postupů přesně kvantifikovat. U zvláště nebezpečných jezových objektů se proto doporučuje zpracování modelového výzkumu proudění v podjezí na fyzikálním modelu.