12/9/2013 - cvut.czvizp.fsv.cvut.cz/vizp_vi_9_2.pdf · 2015. 10. 1. · 12/9/2013 2 Nejčastější druhy zatížení Vlastní tíha konstrukce objem x objemová tíha dle příslušných

12/9/2013

1

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

Nahodilé

(vodní tlak, zemní tlak, vl. tíha)

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)

12/9/2013

2

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

azaaza KhEhKp 2

2

1pzppzp KhEhKp 2

2

1

24

2tgKa24

2tgK psin10K

Vliv soudržnosti

ppzpaaza KchKprespKchKp 22 .

h

h

pp pa

Ep

Ea

Aktivní

Pasivní

12/9/2013

3

Zatížení vodním tlakem

Hydrostatický tlak

2

2

1hPhp ww

p – hydrostatický tlak

zatěžovací obrazce – svislá stěna

hw.

h

3

h

P

Hydrostatický tlak zatěžovací obrazce

horní voda

dolní voda

horní voda

dolní voda

1P

2P

P

vzpěrná vrata (Labe, Hořín)

12/9/2013

4

Hydrostatický tlak

2

112

1hPhp ww

zatěžovací obrazce – šikmá stěna

přímá metoda řešení ve složkách

1P

2P 1h

2h

h1.hw

hw.

1h

2h

h

hw.

hP

vPfiktivní svislá stěna

Hydrostatický tlak na zakřivenou plochu

hp w

přímé řešení - složité

řešení ve složkách

1/ horizontální složka síly

hP

P

hhw

hP

fiktivní svislá stěna

h

hw

12/9/2013

5


3/ složení sil 2/ vertikální složka síly

wv AP .

hP

hP

vP

P


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

aplikace – zatížení segmentového uzávěru vodním tlakem

stěna hladina

dno

h

1hC

1h

vP

hPP

1.hw

hw.

fiktivní svislá stěna

12/9/2013

6

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)

12/9/2013

7

Působení vln

síla působící při zastavení vlny o jezové těleso

l

hhkde

hhhhhF v

vv

v

2

0

2

0 2

22

)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

76,027,037,0 4 LLhv L – délka zdrže ve směru větru

Další možné typy vln

větrové (viz výše), od pohybu plavidel, translační vlny, rázové vlny

Působení ledu

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

h

L

12/9/2013

8

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

dolní voda

horní voda

spád

hydraulická výška

ztráty

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

průsaková dráha délky L

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)

hv LLL

štětová stěna

průsaková dráha délky L

12/9/2013

9

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)

hv LLL3

1anizotropie, větši propustnost vodorovně (vrstvy) Lane

Bligh hv LLL

12/9/2013

10

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

ustpudn UF

součinitel účelu x vodorovná výslednice sil souč. stability polohy x výpočtový odpor proti posunu

od extr. zatížení (0,9)

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

součinitel účelu - dle významu následků při porušení stavby

cdu AcNU

Stabilita proti překlopení

0,1stppasstpactn MM

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

0,1stpvstpvdn UF

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

12/9/2013

11

Jezy Přehrady

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

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)

12/9/2013

12

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

12/9/2013

13

Základní hydraulický výpočet - kapacita jezu

Kapacita jezu > návrhový průtok (většinou Q100)

Bazinova rovnice

(dokonalý a nedokonalý přepad]

23

00 2/

hgbmQ

Q = průtok, m3/s

b0 = efektivní šířka jezu, m

m = součinitel přepadu, průměrně 0.45

g = gravitační zrychlení 9.81

h0 = přepadová výška, m 23

00 2/

hgbmQ z

jezová pole

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

12/9/2013

14

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)

12/9/2013

15

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)

do 15 – 20 m

šikmá část – omezení vztlaku

12/9/2013

16

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

dtto pod celou spodní

stavbou (odvodnění do

štoly)

málo časté

odvodnění hlubších vrstev

podzákladí

drény ve vývarové desce

snížení vztlaku (musí ale

fungovat )

nutné filtry problematické u

jemných písků, zemin s

prach. částicemi

při ohrožení prolomení izolační vrstvy

při anizotropii

při nutnosti snížení porových tlaků (smyková plocha prochází

podzákladím, příp. potřeba urychlení konsolidace)

12/9/2013

17

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)

12/9/2013

18

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

klasifikace pohyblivých jezů dle členitosti

celistvé

členěné

dle pohybu

(ČSN 736513 Jezy)

poklopové

stavidlové

segmentové

válcové

hydrostatické

vakové

12/9/2013

19

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)

12/9/2013

20

Segmentové jezy – hlavní konstrukční prvky (klasická konstrukce)

Segmentové jezy

současná konstrukce

Tuhá skříňová konstrukce umožňuje jednostranný pohyb

(pouze u menších jezů)

12/9/2013

21

Pohybovací mechanizmy

Gallovy řetězy (alternativně hydraulické válce)

Příklad skříňové konstrukce segmentu s nasazenou dutou klapkou

12/9/2013

22

Stavidlové jezy

Základní charakteristika :

deskový tvar hradící konstrukce s pohybem ve svislém směru, přenos zatížení do pilířů

zdvižné a spustné

Členění stavidlových jezů podle pohybu Zdvižné :

přepouštění průtoků i splavenin spodem

neumožňují hladké přepouštění ledových ker,

vnitrovodního ledu a plovoucích předmětů

hrubá regulace výtokem

Spustné : naopak

12/9/2013

23

Pohybovací mechanizmy - strojovna


Poděbrady

12/9/2013

24


Moravský jez na Orlici v Hradci Králové

Válcové jezy

typické hrazené výšky 1- 3 m a rozpětí do 30 m

12/9/2013

25

hinge

tlačná komora

Hydrostatický sektor

emptying valve

12/9/2013

26

Vakový jez

Typické hrazené výšky 1-3 m a rozpětí do 50 m

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

vodní doprava

vnitrozemská

námořní

12/9/2013

27

studie PLANCO Consulting Gmbh (2007)

1 lodní jednotka 1500 t = 38 vagonů à 40 t = 60 nákladních aut à 25 t

TEU = twenty-foot equivalent units (kontejner l = 20 stop)

Vodní cesty ČR

12/9/2013

28

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


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)

12/9/2013

29


Motorové nákladní lodě - motor + strojovna + nádrže = menší nákladový prostor

Rychlá přeprava cennějšího zboží

Kryté, nekryté


Osobní lodě, parníky

12/9/2013

30

Progresivní způsoby přepravy - kombinovaný kontejnerový dopravní systém

univerzální uzavřený ISO

(vodotěsný)

otevřený

na sypké substráty

plošinový cisterna

chladící

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

12/9/2013

31

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)

12/9/2013

32

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 Db = bezpečnostní vzdálenost (3 - 5 m)

B = b +2 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 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)

12/9/2013

33

Klasifikace vnitrozemských vodních cest

délka (m) výška

(m)

ponor

(m) (2)

nosnost

(t)

délka (m) výška

(m)

ponor

(m) (2)

nosnost

(t) (3)

Místního významu I 38,5 5,05 1,80 250-400 2,20-4,00

II 50-55 6,60 2,50 400-650 4,00-5,00

III 67-70 8,20 2,50 650-1000 4,00-5,00

Mezinárodního

významu

IV 80-85 9,50 2,50 1000-

1500

85 9,50 2,50-2,80 1250-

1450

5,25 nebo7,00 (5)

Va 95-110 11,40 2,50 1500-

2400

95-110 11,40 2,50-2,80 1600-

1850

5,25 nebo 7,00 (5)

Vb 2,80 172-185 11,40 2,50-2,80 3200-

3700

VIa 95-110 22,80 2,50-4,50 3200-

6000

7,00 nebo 9,10

VIb 185-195 22,80 2,50-4,50 6400-

12000

7,00 nebo 9,10

VIc 270-280 22,80 2,50-4,50 9600-

18000

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.

Klasifikace vnitrozemských vodních cest

Nejmenší výška

pod mosty (m)

(4)

Hlavní charakteristika plavidla Hlavní charakteristika sestavy

Druh cesty Třída cesty

(1)

Motorové nákladní lodě a čluny Tlačná sestava

Objekty na vodních cestách

štětové stěny

Konstrukční typy bočních zdí

tížné zdi úhelníkové

opěrné zdi

polorám

vrata

komory dělící zeď

Plavební komory

side

culverts

spád (obvykle < 20 m)

12/9/2013

34

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)

12/9/2013

35


Vzpěrná vrata velké plavební komory v Hoříně


Čábelkova vrata pro přímé plnění

12/9/2013

36

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

Pístové

Plovákové

S protizávažím

12/9/2013

37

Lodní zdvihadla svislá

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

Jean-Pol Grandmont, 2005


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

© Raimond Spekking / CC-BY-SA-3.0 (via Wikimedia Commons)

12/9/2013

38


Svislé pístové lodní zdvihadlo Peterborough (Trent-Severn Waterway, Ontario, Kanada)

rok 1904, H = 19,8 m (nejvyšší hydraulické zdvihadlo na světě)

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e5/PeterboroughLiftLock23.jpg

Lodní zdvihadla šikmá

Šikmé lodní zdvihadlo s příčným žlabem (kanál Marne - Rýn)

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)

Patrick Giraud, 2005

12/9/2013 - cvut.czvizp.fsv.cvut.cz/vizp_vi_9_2.pdf · 2015. 10. 1. · 12/9/2013 2 Nejčastější druhy zatížení Vlastní tíha konstrukce objem x objemová tíha dle příslušných

Documents