ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 1 Návrh a výpočet složen eného koryta Jan Krupička jan.krupicka.krupicka@fsv.cvut. fsv.cvut.czcz
ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 2 Obsah NÁVRH SLOŽENÉHO PROFILU HYDRAULIKA SLOŽENÉHO PROFILU VÝPOČETNÍ METODY ŘEŠENÍ SLOŽENÉHO PROFILU
ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 3 Definice Koryto se složeným příčným profilem: z hlediska geometrie profil nemá jednoduchý tvar z hlediska hydrauliky velké rozdíly v rychlostech v jednotlivých částech profilu Umělá koryta - obvykle složený lichoběžníkový profil, který tvoří sekce: prohloubená kyneta jedna nebo dvě výše položené bermy
ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 4 Účel návrhun Hlavní účel návrhu: zvýšení kapacity koryta při zachované poloze hladiny na tocích, kde hrozí vylití z břehů omezení šířky rozlivu při přelití břehů původního koryta Soustředění nízkých průtoků do menší průtočné plochy s větší hloubkou a rychlostí způsob vytvoření zmenšení rozdílu mezi hladinami při malých a velkých průtocích na tocích s časově nevyrovnanými odtokovými poměry (strmá křivka n-denních průtoků)
Účel návrhun Q n [l.s -1 ] Nevyrovnané odtokové poměry 0 360 n [dny] Proč nechceme velké rozdíly hladin? Kolísání hladiny podzemní vody na přilehlých pozemcích Malé hloubky při malých průtocích: malá rychlost proudění, zanášení a zarůstání nadměrné prohřívání vody v extrému i úhyn vodních živočichů ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 5
ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 6 Princip návrhun Koryta malých toků, revitalizační úpravy: vylití z kynety se předpokládá několikrát v roce, kyneta se navrhuje na n-denní průtok kyneta má zajistit dostatečnou hloubku a rychlost při nízkých průtocích (konkrétní čísla závisí na vodnosti toku a složení fauny) z hlediska zemědělského využití okolních pozemků se doporučuje: při Q 210d hloubka min 0,4 m, rychlost min 0,4 m/s při Q 180d by nemělo docházet k podmáčení pozemků
ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 7 Princip návrhun Zvýšení kapacity koryta při povodních: vylití z kynety se předpokládá při povodních, kyneta se navrhuje pro N-leté průtoky, kde N je cca 1~3 bermy mají zajistit dostatečnou průtočnou plochu a tím i kapacitu koryta Právě dokončená úprava Ostravice v Ostravě
ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 8 Příklady složených koryt potok Modla Radbuza v Plzni Cidlina
ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 9 Příčný profil Dno kynety pokud možno přirozené, u revitalizací co nejvíce členité (balvany, tůně,...) Svahy kynety se opevňují kamenné záhozy, rovnaniny, při větším namáhání i dlažba
Příčný profil Bermy mírném sklonu (min 1% - zanášení) ke kynetě, zatravněné Šířka bermy - pojezd techniky (sečení) Proudění bermou pro průtoky s dlouhou dobou opakování - možno i rekreační využití (hřiště, lavičky, cyklostezky) - Nesmí příliš zvyšovat drsnost a zachytávat spláví. ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 10
ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 11 Příčný profil Způsob provedení plně zahloubený provedení kynety ve stávajícím korytě hloubení bermy nákladné částečně zahloubený hráze - nebezpečí podmáčení pozemků za hrází jen pro krátkodobé rozlivy do bermy Vícenásobně složené profily
ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 12 Vedení kynety Kyneta je rovnoběžná s bermami Osa kynety svírá s bermami úhel kyneta je přímá, mění se šířka levé a pravé bermy kyneta meandruje v pásu vymezeném břehem levé a pravé bermy umožňuje zmenšit sklon dna kynety oproti bermám a dosáhnout tak větších hloubek a členitosti stěhovavá kyneta umožní se volný vývoj kynety mezi bermami ekologicky hodnotné
ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 13 Příklady složených koryt river Main v Irsku
ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 14 Příklady složených koryt river Main v Irsku
ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 15 Proudění ve složen eném m profilu Nehomogenní proudění velké rozdíly rychlostí v různých částech koryta Střetávání pomalých a rychlých proudů Složité trojrozměrné hydraulické jevy, vzájemné ovlivňování pomalých a rychlých proudů
ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 16 Jevy ve smykové vrstvě Přenos hybnosti: Reynodlsova turbulentní napětí příčné proudění makrovíry se svislou osou Břehy kynety Fotografie hladiny
ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 17 Důsledek těchto t jevů Reynoldsova napětí ve svislici, příčné proudění, víry se svislou osou Přenos hybnosti napříč profilem: vyrovnávání rychlostí mezi sekcemi vyšší rychlosti v bermách vyšší ztráty třením v bermách vyšší tečné napětí v bermě (zvláště blízko kynety)
ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 18 Nehomogenní proudění Výskyt: Právě zmíněná umělá složená koryta Přirozená koryta se složeným profilem Široká mělká koryta s výrazně se měnící drsností dna Všechna koryta při vylití z břehů Typické proudění záplavovým územím při povodních potřeba jevy spojené z nehomogenním prouděním zohlednit ve výpočetních postupech
ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 19 Výpočet složených koryt 2D a 3D modelování + přesný popis založený na fyzikálních vztazích - velká výpočetní náročnost, vstupní data Empirické metody + jednoduché - málo spolehlivé při jiných podmínkách, než pro které byly odvozeny Jednorozměrné metody + jednoduchý, zaběhnutý postup - obtížné zahrnutí interakcí mezi proudy - hrubá předpověď svislicových rychlostí 1,5D modelování - LDM + zohledňuje dění napříč korytem - výpočetně náročnější
ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 20 Jednorozměrn rné metody Základem je dělení do sekcí pomocí: svislic jednoduché, u nás běžně používané diagonál pod různými úhly horizontál spíše pro případy, kdy je kyneta skloněna vůči bermám, nebo meandruje kombinované Výpočet průtoku každou sekcí jako u jednoduchého koryta, výsledný průtok - součet
ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 21 Dělení pomocí svislic Místo dělení: na rozhraní kyneta-berma v každém zaměřeném bodě příčného profilu (HEC-2) v bodech, kde se mění drsnost (HEC-RAS) Způsob zahrnutí interakce mezi proudy: žádný - svislice se nezapočítává svislice se započítá do omočeného obvodu kynety náhradní drsnost ve svislici může dávat dobré výsledky při výpočtu kapacity, ale je obtížné ji dobře odhadnou
ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 22 Bousmarova metoda - EDM Vychází z obvyklého dělení profilu do tří sekcí Přenos hybnosti modeluje pomocí výměny proudů různé rychlosti mezi sekcemi, rozlišuje výměnu: turbulentní v podstatě Reynodlsova napětí včetně vlivu makrovírů geometrickou přetok vody mezi sekcemi při nerovnoměrném proudění vlivem změny kapacity umožňuje přímý výpočet nerovnoměrné proudění
ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 23 Empirické metody Zpravidla vycházejí z dělení profilu do sekcí Průtoky jednotlivými sekcemi opravují pomocí empirických vztahů a až následně sčítají Korekce založené na: ohodnocení tečného napětí v dělící svislici na základě rozdílu rychlostí v přilehlých sekcích (lze označit jako poloempirické) U B U K U B τ ~(U K U B ) τ τ stanovení ryze empirických korekčních součinitelů na základě tvaru koryta například Ackersova metoda
Ackersova metoda - AEM Odvozena na základě měření v HR Wallingford na složeném lichoběžníkovém profilu Dělení do 3 sekcí, dílčí průtoky sekcemi násobeny korekcí DISADF závislou na regionu proudění Reg. H* = H KYNETA H H KYNETA BERMA DISADF = COH = JEDNODUCHÝ DĚLENÍ SEKCÍ ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 24 Q Q Q Q SKUTEČNÝ DĚLENÍ DO DO SEKCÍ PROFIL Koherence COH = míra homogenity proudění
ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 25 metoda James & Wark Zástupce metod pro kynetu meandrující mezi bermami. Dělí profil do čtyř částí: kyneta po úroveň břehů pás berm ve kterém meandruje kyneta zbývající části berm pro vlnovitosti s = 1,1~2 Empirické vztahy pro zahrnutí jevů v meandrujícím korytě S1 S2 S3 a S4
ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 26 Jevy v meanrující kynetě
ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 27 Jevy v meandrující kynetě překrývání proudů různého půdorysného směru (kyneta po břeh X proud nad úrovní břehu) nutnost oddělit kynetu horizontální plochou, na které dochází ke tření Značné zvýšení odporů proudění při vylití ze břehů oproti přímé kynetě
LDM Lateral Distribution Method tzv. 1,5D metoda. Řídící diferenciální rovnice řeší zákon zachování podélné složky hybnosti napříč korytem: (I) zdrojový (gravitační) člen (II) člen tření na dně koryta (III) člen turbulentních napětím ve svislici (IV) člen přenosu hybnosti konvekcí prostřednictvím sekundárních příčných proudů ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 28
ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 29 LDM vstupy a výstupy Vstupy: příčný profil, drsnosti, poloha hladiny, sklon čáry energie vyznačení břehů kynety 1D výpočetní síť pro numerické řešení dif. rce. Výstupy: svislicové rychlosti vbodech sítě průtok, součinitel kinetické energie, tečná napětí na dně
ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 30 LDM výhody a nevýhody Nevýhody: větší výpočetní náročnost než klasické 1D metody (řešení třídiagonální matice soustavy rovnic) zatím málo v praxi ozkoušená složitější na pochopení Výhody: větší přesnost popisu než klasické 1D metody, přičemž jsou náročnost na vstupní data stejná malá výpočetní náročnost oproti 2D modelování
ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 31 Porovnání různých metod v programu SLOŽKOR http://hydraulika.fsv.cvut.cz cz/vyzkum/nejistoty/koryta/ke_ /nejistoty/koryta/ke_stazeni.html
ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 32 Složkor - metody SCM (Single Channel Method) jako jednoduchý profil DCM (Divided Channle Method) dělení do sekcí v uživatelem zadaných bodech, přičemž: DCM1 svislice se započítají do omočeného obvodu s nulovou drsností DCM2 - svislice se nezapočítají do omočeného obvodu DCM3 svislice se započítají s náhradní drsností SSGM (Sum of SeGment Method) dělení profilu v každém bodě jako starý HEC-2 DZD (Dělení Změnou Drsnosti) jako poslední HEC-RAS AEM (Ackersova Empirická Metoda) LDM (Lateral Distribution Method)
ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 33 Porovnání s fyzikáln lním m modelem
ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 34 Porovnání s fyzikáln lním m modelem AZZU aktivní zóna záplavového území Zde jako oblast provádějící 80% celkového průtoku
ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 35 Porovnání s fyzikáln lním m modelem Součinitel kinetické energie míra nehomogenity proudění Vystupuje v rychlostní výšce, tím ovlivňuje výpočet nerovnoměrného proudění