Návrh a výpočet složeného koryta

3.12.2007

ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 1

Návrh a výpočet složeného Návrh a výpočet složeného korytakoryta

Jan KrupičkaJan Krupičkajan.krupickajan.krupicka@@fsv.cvut.czfsv.cvut.cz

3.12.2007


ObsahObsah

NÁVRH SLOŽENÉHO PROFILU

HYDRAULIKA SLOŽENÉHO PROFILU

VÝPOČETNÍ METODY ŘEŠENÍ SLOŽENÉHO PROFILU

3.12.2007


DefiniceDefinice

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

3.12.2007


Účel návrhuÚčel návrhu

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

zmenšení rozdílu mezi hladinami při malých a velkých průtocích na tocích s časově nevyrovnanými odtokovými poměry (strmá křivka n-denních průtoků)

způsob vytvoření

3.12.2007


Účel návrhuÚčel návrhu

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

n [dny]

Qn [l.s-1]

3600

Nevyrovnané odtokové poměry

3.12.2007


Princip návrhuPrincip návrhu

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 Q210d hloubka min 0,4 m,

rychlost min 0,4 m/s při Q180d by nemělo docházet

k podmáčení pozemků

3.12.2007


Princip návrhuPrincip návrhu

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 korytaPrávě

dokončená úprava Ostravice v Ostravě

3.12.2007


Příklady složených korytPříklady složených koryt

Radbuza v Plzni

potok Modla

Cidlina

3.12.2007


Příčný profilPříčný 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

3.12.2007



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.

3.12.2007



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

3.12.2007


Vedení kynetyVedení 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

3.12.2007



river Main v Irsku

3.12.2007



river Main v Irsku

3.12.2007


Proudění ve složeném Proudění ve složeném profiluprofilu

Nehomogenní proudění – velké rozdíly rychlostí v různých částech koryta

Střetávání pomalých a rychlých proudů

Složité trojrozměrné hydraulické jevy, vzájemné ovlivňování pomalých a rychlých proudů

3.12.2007


Jevy ve smykové vrstvěJevy ve smykové vrstvě

Přenos hybnosti:

příčné proudění

Reynodlsova turbulentní napětí

makrovíry se svislou osou

Fotografie hladiny

Břehy kynety

3.12.2007


Důsledek těchto jevůDůsledek těchto 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)

3.12.2007


Nehomogenní prouděníNehomogenní 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

3.12.2007


Výpočet složených Výpočet složených korytkoryt

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

3.12.2007


Jednorozměrné metodyJednorozměrné 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

3.12.2007


Dělení pomocí svislicDělení 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

3.12.2007


Bousmarova metoda - Bousmarova metoda - EDMEDM

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

3.12.2007


Empirické metodyEmpirické 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)

stanovení ryze empirických korekčních součinitelů na základě tvaru koryta – například Ackersova metoda

UBUB UK

~ (UK – UB)

3.12.2007


Ackersova metoda - Ackersova metoda - AEMAEM

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.

SEKCÍDODĚLENÍ

PROFILJEDNODUCHÝ

Q

QCOH

KYNETA

BERMAKYNETA

H

HHH

*

SEKCÍDODĚLENÍ

SKUTEČNÝ

Q

QDISADF

Koherence COH = míra homogenity proudění

3.12.2007


metoda James & Warkmetoda James & Wark

Zástupce metod pro kynetu meandrující mezi bermami. Dělí profil do čtyř částí: kyneta po úroveň břehů S1 pás berm ve kterém meandruje kyneta S2 zbývající části berm S3 a S4

pro vlnovitosti s = 1,1~2

Empirické vztahy pro zahrnutí jevů v meandrujícím korytě

3.12.2007


Jevy v meanrující Jevy v meanrující kynetěkynetě

3.12.2007


Jevy v meandrující Jevy v meandrující kynetěkynetě

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

3.12.2007


LDMLDM

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

3.12.2007


LDM – vstupy a výstupyLDM – 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

v bodech sítě průtok, součinitel

kinetické energie, tečná napětí na dně

3.12.2007


LDM – výhody a LDM – výhody a nevýhodynevýhody

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

3.12.2007


Porovnání různých metodPorovnání různých metod

v programu SLOŽKORv programu SLOŽKORhttp://hydraulika.fsv.cvut.cz/vyzkum/nejistoty/koryta/ke_stazeni.hthttp://hydraulika.fsv.cvut.cz/vyzkum/nejistoty/koryta/ke_stazeni.ht

mlml

3.12.2007


Složkor - metodySložkor - 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)

3.12.2007


Porovnání s fyzikálním Porovnání s fyzikálním modelemmodelem

3.12.2007


AZZU – aktivní zóna záplavového území Zde jako oblast provádějící 80% celkového

průtoku


3.12.2007


Součinitel kinetické energie – míra nehomogenity proudění


Vystupuje v rychlostní výšce, tím ovlivňuje výpočet nerovno-měrného proudění

Documents

Návrh a výpočet složeného koryta