12/9/2013 - prehrady.czprehrady.cz/vizp/vizp_vi_9_2.pdfhydrostatický tlak na zakřivenou plochu 2/...
TRANSCRIPT
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
Hydrostatický tlak na zakřivenou plochu
3/ složení sil 2/ vertikální složka síly
wv AP .
hP
hP
vP
P
Hydrostatický tlak na zakřivenou plochu
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
Pohybovací mechanizmy - strojovna
Poděbrady
12/9/2013
24
Pohybovací mechanizmy - strojovna
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
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)
12/9/2013
29
Druhy plavidel na vnitrozemských vodních cestách
Motorové nákladní lodě - motor + strojovna + nádrže = menší nákladový prostor
Rychlá přeprava cennějšího zboží
Kryté, nekryté
Druhy plavidel na vnitrozemských vodních cestách
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
Vrata plavebních komor
Vzpěrná vrata velké plavební komory v Hoříně
Vrata plavebních komor
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
Lodní zdvihadla svislá
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
Lodní zdvihadla svislá
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