Vodní stavby na tocích zatížení vodních staveb jezy a vodní cesty doc. Ing. Petr Valenta, CSc. Katedra hydrotechniky Statické řešení stability jezu ČSN 730035 Zatížení stavebních konstrukcí ČSN 73750 Zatížení vodohospodářských objektů Zatížení 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
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 3 5 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 p a z hk a E a 1 h K z a p p z hk p E p 1 h K z p K tg K a 0 1 sin K p tg 4 4 Vliv soudržnosti p hk c K resp. p hk c a z a a p z p K p Aktivní h Pasivní E p E a h p p p a
Zatížení vodním tlakem Hydrostatický tlak zatěžovací obrazce svislá stěna p hydrostatický tlak p w h P 1 w h h P h 3 w.h Hydrostatický tlak zatěžovací obrazce horní voda vzpěrná vrata (Labe, Hořín) dolní voda P 1 P horní voda P dolní voda 3
Hydrostatický tlak p w h P 1 1 wh1 zatěžovací obrazce šikmá stěna přímá metoda řešení ve složkách fiktivní svislá stěna P v P 1 h P 1 w.h 1 h P h h 1 h w.h h w.h h Hydrostatický tlak na zakřivenou plochu p wh přímé řešení - složité řešení ve složkách 1/ horizontální složka síly fiktivní svislá stěna h wh P h P h h P wh 4
Hydrostatický tlak na zakřivenou plochu / vertikální složka síly 3/ složení sil P A. v w h P h P P P v Hydrostatický tlak na zakřivenou plochu aplikace zatížení segmentového uzávěru vodním tlakem hladina stěna fiktivní svislá stěna P v dno h 1 h P h h 1 w.h w.h 1 P C 1/ promítni zakřivený povrch do svislé roviny, vypočti horizontální složku síly / spočítej vertikální složku síly jako tíhu sloupce vody nad zatěžovaným povrchem (vytlačený objem) 3/ vypočítej velikost a směr výsledné hydrostatické síly 5
Zemní a horninový tlak Zemní tlak nadlehčené zeminy kombinace hydrostatického tlaku a tlaku nadlehčené zeminy Alternativní přístup - tlak zvodnělé zeminy (jemnozrnné nánosy, bahno) jako kapaliny Zatížení vodním tlakem tlak hydrostatický x hydrodynamický w = 10 knm -3 f = 1,0 (1,1 1, dynam.) pro periodické působení zjednodušeně navíc dynamický součinitel = 1,3 hydrodynamický tlak výzkumem (nejen pro výpočty, ale i pro provoz (mezipolohy uzávěrů) 6
Působení vln síla působící při zastavení vlny o jezové těleso F v ( h hv h0 ) h h v kde h0 h l v parametry vlny l = délka, h v = 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 h v 0,37 L 0,7 4 L 0,76 L délka zdrže ve směru větru Další možné typy vln větrové (viz výše), od pohybu plavidel, translační vlny, rázové vlny L Působení ledu 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 F l =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
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 hydraulická výška spád dolní voda průsaková dráha délky L Charakteristiky proudění podzemní vody 1/ hydraulická výška H (stanovení vztlaku) / 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 / ztráty hydraulické výšky jsou úměrné délce průsakové dráhy (lineární průběh přetlaku, konstantní gradient hydraulické výšky) štětová stěna průsaková dráha délky L L L v L h 8
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 L > c.h c konstanta (dle Laneho : tuhý jíl 1,8 jemný písek 7,0) Lane L 1 L v L h 3 anizotropie, větši propustnost vodorovně (vrstvy) Bligh L L v L h 9
Stabilita proti posunutí v základové spáře po smykové ploše v podzákladí po pracovní spáře rozhoduje nejnepříznivější základová spára rovnoběžná s výslednicí sil reálné posunutí v základové či pracovní spáře n F ud stp U u U u N d ca c 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, 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 stp 1,0 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 F vd stp U v 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
Jezy Neregulují průtoky Malý přípustný rozsah kolísání Povodně bez ovlivnění, jez přeléván, hladina výrazně nad normální hladinou Obvykle nižší Nutno zajistit průchod splavenin (rychlosti) Průchod ledů Přehrady Regulují a řídí odtok Velký rozsah kolísání hladiny Při povodni se uplatňuje retenční prostor Obvykle vyšší Splaveniny zůstávají v nádrži (v horní části) 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 Nedá se regulovat hladina Převádění ledů Průchod splavenin Vzdutí hladiny při povodni Výhody Levné, jednoduché Nepotřebují obsluhu Dobře zapadají do krajiny Použití tam, kde nevadí kolísání hladiny a tam, kde účinky mají pozitivní charakter (horské toky stabilizace dna) 11
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 1
Základní hydraulický výpočet - kapacita jezu Kapacita jezu > návrhový průtok (většinou Q 100 ) jezová pole Q = průtok, m 3 /s b 0 = efektivní šířka jezu, m m = součinitel přepadu, průměrně 0.45 g = gravitační zrychlení 9.81 h 0 = přepadová výška, m Bazinova rovnice (dokonalý a nedokonalý přepad] Q m b 0 Q zm b gh 0 3/ 0 gh 3/ 0 Tvar spodní stavby jezu skalní podloží (nepropustná únosná vrstva) v malé hloubce (do 5 metrů) skalní (nepropustné) podloží v dosažitelné hloubce (do 1 m) založení na propustném podloží 13
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
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. stěnami) šikmá část omezení vztlaku do 15 0 m 15
Nepropustné podloží ve značné hloubce kombinace svislých a vodorovných těsnících prvků Částečné omezení průsaků, prodloužení průsakové dráhy Typy podzemního obrysu základu jezu bez drénů a filtrů jednoduché, levné pro nižší jezy drény ve vývarové desce snížení vztlaku (musí ale fungovat ) nutné filtry problematické u jemných písků, zemin s prach. částicemi 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
Pevné jezy dle materiálu dřevěné kamenné zděné betonové železobetonové kombinované dle tvaru příčného řezu se svislou stěnou střechovitý tvar lichoběžníkový tvar se zaoblenou korunou proudnicový tvar zvláštní konstrukce (násoskové, pilířové) dle vodotěsnosti propustné nepropustné 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
betonový jez štěrková propust Pohyblivé jezy dle ovládání ručně mechanizmy změnou tlaku vody dle přenášení zatížení do spodní stavby do pilířů do pilířů i spod. stavby dle obsluhy automatické poloautomatické (vyhrazení) s trvalou obsluhou dle členitosti celistvé členěné klasifikace pohyblivých jezů dle pohybu (ČSN 736513 Jezy) poklopové stavidlové segmentové válcové hydrostatické vakové 18
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
Segmentové jezy hlavní konstrukční prvky (klasická konstrukce) Segmentové jezy současná konstrukce Tuhá skříňová konstrukce umožňuje jednostranný pohyb (pouze u menších jezů) 0
Pohybovací mechanizmy Gallovy řetězy (alternativně hydraulické válce) Příklad skříňové konstrukce segmentu s nasazenou dutou klapkou 1
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
Pohybovací mechanizmy - strojovna Pohybovací mechanizmy - strojovna Poděbrady 3
Pohybovací mechanizmy - strojovna Moravský jez na Orlici v Hradci Králové Válcové jezy typické hrazené výšky 1-3 m a rozpětí do 30 m 4
Hydrostatický sektor hinge tlačná komora emptying valve 5
Vakový jez Typické hrazené výšky 1-3 m a rozpětí do 50 m vodní doprava vnitrozemská námořní Vodní cesty a plavba 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 6
TEU = twenty-foot equivalent units (kontejner l = 0 stop) 1 lodní jednotka 1500 t = 38 vagonů à 40 t = 60 nákladních aut à 5 t studie PLANCO Consulting Gmbh (007) Vodní cesty ČR 7
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) 8
Druhy plavidel na vnitrozemských vodních cestách Motorové nákladní lodě - motor + strojovna + nádrže = menší nákladový prostor Rychlá přeprava cennějšího zboží Kryté, nekryté Osobní lodě, parníky Druhy plavidel na vnitrozemských vodních cestách 9
Progresivní způsoby přepravy - kombinovaný kontejnerový dopravní systém univerzální uzavřený ISO (vodotěsný) na sypké substráty chladící otevřený plošinový 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 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
jez a PK jez a PK 1/9/013 Regulační výhon na Labi v blízkosti Roudnice nad Labem (Harke, 009) Kanalizační splavnění Hlavní výhoda zajištění plavebních hloubek za všech průtokových stavů, malé rychlosti proudění (možnost hydroenergetického využití) 31
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 = b +3 Db dvousměrný provoz Db = bezpečnostní vzdálenost (3-5 m) B = b + Db 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 3 tunely, akvadukty) Podjezdná výška h p Rozšíření v obloucích pro R < Rmin B o = B + DB, DB = L /(R+B) rozměry jsou dány Klasifikací evropských vnitrozemských vodních cest (7 tříd, 4-7 mezinárodní cesty) 3
Klasifikace vnitrozemských vodních cest cest Druh cesty Třída cesty Motorové nákladní lodě a čluny Tlačná sestava Nejmenší výška (1) Hlavní charakteristika plavidla Hlavní charakteristika sestavy pod mosty (m) délka (m) výška ponor nosnost délka (m) výška ponor nosnost (4) (m) (m) () (t) (m) (m) () (t) (3) Místního významu I 38,5 5,05 1,80 50-400,0-4,00 II 50-55 6,60,50 400-650 4,00-5,00 III 67-70 8,0,50 650-1000 4,00-5,00 Mezinárodního významu IV 80-85 9,50,50 1000-1500 Va 95-110 11,40,50 1500-400 85 9,50,50-,80 150-1450 95-110 11,40,50-,80 1600-1850 5,5 nebo7,00 (5) 5,5 nebo 7,00 (5) Vb,80 17-185 11,40,50-,80 300-3700 VIa 95-110,80,50-4,50 300-6000 VIb 185-195,80,50-4,50 6400-1000 VIc 70-80,80,50-4,50 9600-18000 VII 7,00 nebo 9,10 7,00 nebo 9,10 9,10 Poznámky ke klasifikační tabulce: 1. Třída vodních cest je určena půdorysnými rozměry člunů nebo tlačných sestav.. 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. 5,5 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 < 0 m) vrata komory dělící zeď Konstrukční typy bočních zdí side culverts štětové stěny tížné zdi úhelníkové opěrné zdi polorám 33
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). s plněním přímým PK Hradišťko (před rekonstrukcí) 34
Vrata plavebních komor Vzpěrná vrata velké plavební komory v Hoříně Vrata plavebních komor Čábelkova vrata pro přímé plnění 35
Vybavení plavebních komor přivazovací zařízení pacholata, přivazovací trny, kruhy a háky žebříky až na dno komory, po 5 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 0 m spádu - u zdvihadel podstatně více Podle pohybu Svislá Šikmá Podle transportního zařízení žlab (s vodní náplní) plošina (doprava nasucho) Druhy svislých lodních zdvihadel S protizávažím Pístové Plovákové 36
Lodní zdvihadla svislá Jean-Pol Grandmont, 005 Svislé lodní zdvihadlo s protizávažím (Strépy, Canal du Centre, Belgie) rok 00, H = 73 m (dosud nejvyšší), 11 x 1 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 196, H = 14 m, 90 x 1 m, x šachta s plovákem (40 m), pohyb vřetenovými tyčemi 37
Lodní zdvihadla svislá http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e5/peterboroughliftlock3.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, 005 rok 1969, H = 44 m, vyvážení x 450 tun, čas cca 4 min, 40 m3 vody náhrada za 17 komor (čas cca 8 hodin, cca 10 000 m3 vody) 38