CVIČENÍ 4: Podélný profil, návrh nivelety, výpočet příčného profilu Podélný profil toku vystihuje sklonové poměry toku v podélném směru. Zajímají nás především sklon hladiny vody v korytě a její umístění pod terénem pokud můžeme v toku předpokládat rovnoměrný pohyb vody, tedy i sklon a výškové umístění dna. Při návrhu nivelety se má vycházet z podélného profilu stávajícího toku a nový z něj odvozovat (proto jsme stanovovali charakteristiky současného koryta sklon, hloubka koryta). Niveleta musí být řešena ve vzájemné souvislosti s velikostí a tvarem koryta, trasou, pohybem splavenin, opevněním apod. Návrh nivelety provádíme ve výkresu podélného řezu terénem v navržené trase toku. Pro přípravnou dokumentaci stačí vynést podélný řez ze situačního plánu. Postup při vynášení podélného řezu: Je vhodné vypracovat tabulku psaného podélného řezu (Obr.1), která se sestavuje tak, že ve směru staničení se jsou zaznamenávány postupně výšky terénu v jednotlivých charakteristických bodech trasy spolu s jejich staničením. Do výkresu podélného profilu vynášíme: - důležité terénní zlomy (paty břehů původního koryta, břehové čáry, hrany a koruny hrází a objektů apod.) - objekty dosavadní i projektované na navržené trase (jezy, stupně ve dně, mosty, odběry vody, zaústění přítoků a odpadů, křížení s energetickými, trubními a jinými vedeními) - další důležité údaje (horizonty podzemních vod, geologické a pedologické sondy) Charakter jednotlivých bodů je vhodné doprovodit poznámkou. Hustota bodů je závislá na členitosti terénu; čím je terén členitější, tím kratší volíme vzdálenosti mezi sousedními body.,, Obr. 1 psaný podélný řez terénem Grafická úprava výkresu podrobného podélného profilu Při vynášení podrobného podélného profilu je z hlediska prostorového uspořádání výkresu třeba mít na zřeteli konečnou výstupní úpravu tzv. podrobného podélného profilu úpravy (obr. 2). Vykresluje se ve stejném délkovém měřítku jako podrobná situace (M 1:1000) a je i stejně orientován (zde směr toku Lužnice zleva doprava), výškové měřítko se obvykle volí 1:100, tj.
podrobný podélný profil je převýšený. Výšky terénu se vynášejí od srovnávací roviny (zde např. 400,00). Obr. 2 ukázka konečné výstupní podoby podrobného podélného profilu Výškové umístění budoucího dna koryta Dno koryta se má se zřetelem na vegetaci navrhnout tak, aby nejčastěji se vyskytující hladina byla přibližně v optimální výši podzemní vody v přilehlém území. Úroveň této hladiny odpovídající zhruba průtoku Q 180d závisí v extravilánu (mimo městskou trať) na způsobu využití pozemků a fyzikálních vlastnostech půdy (Tab I).
Tab. I úroveň hladiny podzemní vody pod povrchem terénu Druh pozemku Louky Pastviny Pole Sady Lesy Chmelnice Optimální hodnota (cm) 50 60 60-80 100-120 140 160 150-200 180-200 Minimální přípustná hodnota (cm) 30 40 40-50 60-70 70 100 80-100 100-120 */ Nižší hodnota platí pro půdy lehčí, vyšší hodnoty pro těžší půdy. V intravilánu (v městské a průmyslové zóně) závisí výškové umístění dna na úrovních spodních konstrukcí podlah suterénních místností, hloubce studní, na poloze vrchní stavby komunikací na kapacitě mostních konstrukcí a na hloubce založení jejich pilířů. V obou případech je nutno dbát na plynulé výškové napojení úpravy k sousedním úsekům a na rozsah zemních prací. **/ **/ Výška koruny pevného jezu je 415,97 m.n.m Podélný sklon nivelety Podélný profil se má plynule zmenšovat od pramene k ústí. Při návrhu podélného sklonu dna je třeba přihlédnout zejména k odolnosti dna vůči navrhovanému průtoku při voleném sklonu zamezení zanášení dna při transportu splavenin z výše ležících úseků toku a z přítoků k podélnému sklonu celého toku k podélnému sklonu údolní nivy Úprava podélného sklonu dna má zajistit stabilitu toku. Přitom stabilním dnem se rozumí takový stav, kdy nánosy a výmoly vzniklé po úpravě nepřesáhnou očekávanou míru. Cílem je zajistit, aby se splaveniny v toku trvale neukládaly a aby nedocházelo ani k trvalému vymílání dna, popř. svahů. Stanovení sklonu nivelety K dispozici jsou tyto údaje průměrný sklon dna v původním vedení toku i staré sklon, který je k dispozici v novém vedení trasy a který vyplývá z výškového převýšení KÚ ZÚ začátku a konce úpravy i nové, který lze vyjádřit jakoi nové =, kde ZÚ, KÚ jsou L výšky dna na, které se napojí úprava v začátku resp. konci úpravy, L je délka nové trasy úpravy sklon údolní nivy, který se určí i údolí, i = i s, kde s je zjištěná vlnovitost původní trasy údolí staré. toku. Je zřejmé, že platí relace i údolí > i nové > i staré sklon stabilní i stabilní určený ze zjednodušené formy Mayer-Peterovy rovnice pro dno v klidu de istabi ln í = 0, 0755, kde d e je velikost efektivního zrna dnového materiálu [m], h je hloubka h vody při návrhovém průtoku (Q 1 -Q 2 ) [m]. Pokud úsek stávajícího toku je v rovnováze z hlediska transportu splavenin, mělo by platit i stabilní i staré. Na základě těchto údajů je třeba zvolit návrhový sklon dna i návrh, pro který by mělo platit i návrh i stabilní. Pokud platí i stabilní << i staré je třeba přehodnotit hloubku h pro návrhový průtok (zmenšit), většinou za cenu rozšíření koryta nebo změny drsnosti opevnění toku.
Vyhodnocení křivky zrnitosti Pro výpočet i stabilní potřebujeme vyhodnotit křivku zrnitosti, resp. určit velikost reprezentativního zrna dnového materiálu. Obr. 3 příklady křivek zrnitostí v logaritmicko-normálním zobrazení Křivku zrnitosti je možno vynést i v logaritmicko-pravděpodobnostním papíru a sestrojit pro ní teoretickou křivku zrnitosti (výhodou je její větší věrohodnost v oblasti vyšších a nižších procent propadu) Stanovení charakteristiky d e D si je aritmetický průměr velikosti zrn i-té frakce, p i - procentuální podíl této frakce d e = n 1 p D i 100 si Obr. 4 stanovení efektivního zrna d e z křivky zrnitosti binormální zobrazení
Typy objektů ve dně Jako spádové objekty jsou užívány spádové stupně, jezy a skluzy (většinou s drsnou balvanitou skluzovou plochou). Skluzy se využívají zejména na strmějších tocích s významným splaveninovým režimem. Hlavním účelem stupně ve dně a skluzu je snížení sklonu dna, u jezu se jedná hlavně o dosažení vzdutí hladiny. Všechny tyto objekty snižují sklon čáry energie upravovaného toku a vytvářejí buď místní ztrátu (stupeň, práh) nebo ztrátu třením (drsné skluzy). Dle ČSN 736512 jsou za stupně považovány objekty s výškou skoku v niveletě dna větší než 30 cm. Pokud je výška skoku v niveletě menší, nevyvolávají tyto objekty prakticky žádné místní ztráty a jedná se o prahy, které stabilizují dno tím, že se vytváří lokální erozní báze Obr. 5 přetváření dna mezi stabilizačními prahy ve dně Určení potřeby spádových objektů v úpravě nivelety toku Vzhledem k tomu, že i návrh < i nové, vznikne na délce L určitý výškový spád h, který je nutno překonat spádovým objektem. Pokud by průměrná výška spádového objektu byla h, bude průměrná vzdálenost mezi objekty L (obr. 6). h L = i 1 i 2 Obr. 6 rozmístění stupňů ve dně (i 1 i nové, i 2 i návrh ) Umístění stupňů ve dně v úpravě nivelety dna Konstrukce stupně by měla být pokud možno umístěna v přímém úseku, který je dostatečně dlouhý pro umístění vývaru pod stupněm. Z hlediska podélného profilu pak tam, kde je třeba při daném sklonu klesnout s niveletou. Stupeň by měl být umístěn tak, aby navržený průběh nivelety dna vyžadoval minimální objem zemních prací a aby nedocházelo k nadměrnému zahloubení dna (pod úroveň údolní nivy), tj. tam, kde je přirozený pokles údolní nivy. Pro založení stupně je vhodnější, pokud je budován celý v rostlém terénu. U stupňů s výškou nižší než 30 cm a u stabilizačních prahů je možné umístit tyto objekty i v oblouku.
Návrh příčného profilu V místech, kde bude koryto vytvořeno nově (v úsecích průkopů, v místech zvětšení průtočného profilu v krčcích, v místech odchýlení od stávající osy koryta), je třeba navrhnout příčný profil koryta tak, aby odpovídal svojí kapacitou požadované kapacitě úpravy. Při návrhu tvaru příčného profilu koryta - zejména tvaru břehů je třeba přihlédnout jednak k charakteru příčného profilu stávajícího koryta a hlavně ke způsobu zajištění stability břehů (jejich opevnění). Kapacita koryta úpravy bude navržena na průtok Q 1 -Q 2. Pro takovýto malý návrhový průtok odpovídá poloha hladiny úrovni břehových čar, neuvažujeme s převýšením břehů. Pro návrh příčného profilu budeme uvažovat s lichoběžníkovým tvarem. Sklony svahů se podle druhu opevnění volí takto: nábřežní zdi, pilotové stěny a monolitické obklady 1:1 až svislé Srubové stěny 1:1 až svislé kamenné záhozy a rovnaniny 1:1,5 až 1:1 Dlažby 1:2 až 1:1 kamenné pohozy a vegetační opevnění sypké zeminy bez opevnění 1:2,5 a menší 1:3 a menší podle úhlu vnitřního tření Podle stupně ochrany a místních poměrů navrhujeme koryto celé zahloubené (Obr.7a) nebo s pobřežními hrázemi (Obr. 7b). V upravovaném úseku Chomutovky budeme uvažovat s alternativou koryta (a), pouze výjimečně, např. v blízkosti objektů (stupeň ve dně), bude použita alternativa (b). c b d Obr. 7 Typy příčného profilu a - celý zahloubený, b s pobřežními hrázemi, c miskovitý v přímé, d miskovitý v oblouku Rozměry koryta se stanoví výpočtem ze základních parametrů jako je navržený podélný sklon dna, zahloubení dna a hladin podzemní vody pod terénem, velikost návrhového průtoku pro kapacitu koryta a s ohledem na stabilitu přirozeného materiálu dna koryta. Sklon svahů břehů se volí s ohledem na charakteristiky materiálu svahu (efektivní zrno d e, úhel přirozené sklonitosti zeminy ϕ, soudržnost c), podzemní vodu vytékající do koryta, účinek proudící vody, umožnění přístupu k hladině, s ohledem na druh opevnění svahu a v neposlední řadě s ohledem na možnost ekonomického nasazení mechanizace při provádění stavby a údržbě koryta. Šířka koryta ve dně b by měla zajistit při Q 210d dostatečnou hloubku [0,4 m??] (z důvodu prohřívání vody v letním období) a dostatečnou rychlost [0,4 ms -1?] (z důvodu zanášení dna a usazování jemných plavenin). Při Q 180d by měla hladina korespondovat s doporučenou úrovní hladiny podzemní vody pod povrchem údolní nivy, (z Tab. 1 pro louky je to 0,5 m).
Rozměry příčného profilu U lichoběžníkového koryta je hloubka koryta h závislá pro zvolený návrhový průtok a sklony svahů na šířce ve dně b, resp. šířce v březích B. Z předchozí analýzy stávajícího koryta a zároveň z požadavku na minimální zábor plochy korytem vyplývají rozmezí vhodných hodnot hloubek a šířek koryta (Obr. 8). Pro funkční vztah h=f(b) lze v průniku obou oblastí vhodných hodnot hloubek a šířek najít optimální parametry koryta. Výsledná hodnota šířky koryta b zaokrouhlená na celé metry by měla umožnit mechanizované provádění koryta (šířka pracovní lopaty prováděcího stroje). VHODNÉ h 1