Přednášky

Hydrotechnika II - 1Jaromír Říha
Ústav vodních staveb FAST VUT v Brně
Obsah
Moduly-Přehrady(J. Říha – 8 týdnů)
- Využití vodní energie(J. Šulc – 4 týdny)
Návaznost na cvičení
J. Jandora, A. Dráb, Z. Zachoval
Obsah – Přehrady
1. Historie výstavby přehrad, dělení přehrad, umístění přehrad.
2. Přehrady z místních materiálů, vzorový příčný profil, úprava koruny, opevnění návodního líce, ochrana vzdušního líce, těsnění sypaných přehrad, drenážní systémy, filtry .
3. Založení tělesa hráze, utěsnění podloží. Napojení tělesa hráze na objekty, sypání hráze.
4. Funkční objekty přehrad. Dispoziční řešení funkčních objektů, Výpustné a odběrné zařízení přehrad, dimenzování, konstrukční řešení.
5. Bezpečnostní přelivy, navrhování a výpočet.
10. Přehrady ze soudržných materiálů, tížné, vylehčené, pilířové, klenbové, členěné přehrady. RCC přehrady, provádění.
11. Nejnovější poznatky z problematiky navrhování přehrad.
12. Poruchy na přehradách, rekonstrukce a sanační práce.
Obsah – VVE
6. Zdroje energie, vodní energie, hydroenergetický potenciál vodních toků, přírodní a umělé zdroje vodní energie
7. Typy vodních elektráren, návrhové parametry vodních elektráren, Konstrukční uspořádání a příslušenství turbín, návrh špičkové vodní elektrárny
8. Vtokové objekty jednotlivých typů vodních elektráren, konstrukční uspořádání strojoven
9. Malé vodní elektrárny (MVE), návrhové parametry, příslušenství turbín, dispoziční řešení MVE
Literatura
BROŽA, V. a kol. 2000: Přehrady Čech, Moravy a Slezska. Knihy 555 Liberec
BROŽA, V.- KRATOCHVÍL,J.- PETER, P. - VOTRUBA, L. 1987. Přehrady. SNTL Praha, 546 s. .
HOBST, O. - HOBST, L. - KLABLENA, P. - VERFEL, J. 1984 technologie sypaných hrází. SNTL Praha. 360 s.
JANDORA, J. - ŘÍHA, J. 2002. Porušení sypaných hrází v důsledku přelití. Práce a studie Ústavu vodních staveb FAST VUT Brno, Sešit 2, ECON publishing, 188 s.
KRATOCHVÍL, J. - JANDA, M. – STARA, V. 1987. Projektování přehrad. Komplexní projekt HT. ES VUT Brno, 101 s.
KRATOCHVÍL, J .– STARA, V. 1984. Přehrady. ES VUT Brno, 223 s.
LUKÁČ, M. - BEDNÁROVÁ, E. 2006. Navrhovanie a prevádzka vodných svaieb. Sypané priehrady a hrádze. Jaga. Bratislava 2006, 193 s.
PETER, P.- VOTRUBA, L.- MEJZLÍK, L. 1967. Údolné nádrže a priehrady. SVTL.
TANČEV, L. 2005. Dams and Appurtenant Hydraulic Structures. Balkema Publishers, London, 838 p.
VOTRUBA, L. - BROŽA, V. - KAZDA, I. 1979. Přehrady. Vydavatelství ČVUT, Praha, 332 s.
Prerekvizity
HYDRAULIKA
JANDORA, J. 2005. Hydraulika a hydrologie. Modul 01. Studijní opora pro studijní programy s kombinovanou formou studia. FAST VUT Brno
KOLÁŘ, V.- PATOČKA, C.- BÉM, J. 1983. Hydraulika, SNTL/ALFA, Praha, 475 s.
MECHANIKA ZEMIN
MENCL, V. 1966. Mechanika zemin a skalních hornin. Academia, Praha, 329 s.
MYSLIVEC, A. – EICHLER, J.- JESENÁK, J. 1970. Mechanika zemin-SNTL Praha.
ŠIMEK, J. – JESENÁK, J. – EICHLER, J. – VANÍČEK, I. 1990. Mechanika zemin - SNTL Praha, 387 s.
WEIGLOVÁ, K. 2005. Mechanika zemin. Studijní opora. Modul BF02-M01 až M04, 153 s.
HYDROLOGIE
STARÝ, M. 2005. Hydrologie. Studijní opora. Modul M01, 368 s.
Úvod do problematiky, základní pojmy
Přehrada je stavba (konstrukce) přehrazující údolí toku za účelem vytvoření přehradní nádrže;přehradní těleso společně s příslušenstvím;
Základní členění podle ICOLD - International Commission On Large Dams:
přehrady výšky větší než 15 m (měřeno od charakteristické základové spáry);
přehrady s výškou hráze 5 až 15 m a s objemem nádrže nad 3,0 mil. m3.
Naše normy ČSN 75 2410 - Malé vodní nádrže (dále MVN):objem nádrže po normální hladinu nepřesahuje 2 mil. m3 největší hloubka vody v nádrži nepřesahuje 9 m
Normativní podklady
ČSN 75 2340 Navrhování přehrad – hlavní parametry a vybavení
ČSN 73 6850 Sypané přehradní hráze (v revizi)
ČSN 75 0250 Zatížení konstrukcí vodohospodářských objektů
ČSN P 75 0271 Navrhování zemních konstrukcí hydrotechnických staveb
ČSN 75 2410 Malé vodní nádrže
TNV 75 2415 Suché nádrže (v revizi)
TNV 75 2935 Posuzování bezpečnosti VD při povodních
ČSN 75 0255 Výpočet účinků vln na stavby na vodních nádržích a zdržích
MVN a SN – legislativní podklady
Vyhláška MZe 471/2001 Sb. o technicko-bezpečnostním dohledu nad vodními díly.
Vyhláška MZe 590/2002 Sb. o technických požadavcích pro vodní díla.
Vyhláška MZe 367/2005 Sb., kterou se mění vyhláška 590/2002 Sb. o technických požadavcích pro vodní díla.
MVN a SN – metodické pokyny
Metodický pokyn odboru ochrany vod MŽP pro navrhování, výstavbu a provoz suchých nádrží.
Metodický pokyn MZe ke zpracování posudků pro zařazení vodního díla do kategorie z hlediska TBD.
Metodický pokyn odboru ochrany vod MŽP k posuzování bezpečnosti přehrad za povodní.
Metodický pokyn odboru ochrany vod MŽP pro stanovení účinků zvláštních povodní a jejich začlenění do povodňových plánů.
Metodický pokyn MZe k provádění technicko-bezpečnostního dohledu na hrázích malých vodních nádrži IV. kategorie.
Rozdělení přehrad
Tížná masívní, Tížná se širokými spárami, Tížná s podélnou dutinou, Tížná pilířováTížná s klenbovým účinkem,-, Klenbová – se zakřivenou osou, Kupolová, Klenbová – s tížným účinkem, Členěná desková, Členěná klenbová,-,-,-, Z dílců, Se širokou výpustí-,
Zemní homogenní
Hráz 1
Historie přehrad
výstavba přehrad souvisela s civilizačním procesem (zejména závlahy – Egypt, Irán, Irák, Čína, Japonsko);
- Egypt:- 2900 př.n.l.(levý břeh Nilu;15 m vysoká, 450 m dlouhá;)
2650n.l. (Sadd el Kafara (30 km jižně od Káhiry);12 m vysoká, 108 m dlouhá; dvojitá kamenitá hráz mezihrází vyplněné těsnicí zeminou;bez přelivu – po dokončení přelita a zničena)
- Římané stavěli přehrady v koloniích
– Španělsko Proserpina (2. st.př.n.l.) - dodnes v provozu, 19 m vysoká a 427 m dlouhá.
Cornalbo (2. st.př.n.l.) - dodnes v provozu,24 m vysoká a 200 m dlouhá.
Alcantarilla (2. st.př.n.l.) 20 m vysoká.
- Turecko Orukaya (190 km SV od Ankary) – 16 m vysoká, 40 m dlouhá
Cavdarhisar (210km J od Istanbulu)– 7m vysoká, 80 m dlouhá, dvě svislé zdi svírají těsnicí jádro.

- Úpadek výstavby přehrad ve středověku;
- Velmocí je opět Španělsko
- práh novověku (rybnikářství): Dvořiště (1367) – 10 m vysoká;
Jordán (1492);18 m vysoká;stavěna pro zásobení Tábora vodou;uveden v WRD;
Staňkovský rybník (před 1549) – 15 m vysoká
Do konce 19. století a začátek 20. století.
- důlní činnost (18. stol.)
Pilská (Příbram);
Rozgrund (Banská Štiavnice) – 1744 – 30 m;
- ochrana před povodněmi (konec 19. a zač. 20. století):
Jevišovice (tížná - zděná) – 1896 , vysoká 25 m;
Les Kralovství
Labská, Bílá Desná (protržena)
Historie přehrad v ČR – 20. století
Vodní energetika (Vltavská kaskáda)
Pitná voda
VH soustavy
Etapy- litý beton (40. léta – např. VD Vranov, Brno);
kamenité (60. až 90. léta – Mostiště (1961) – Oslava – 35 m);
zemní v méně vhodných profilech;
Největší přehrady
Dalešice (Jihlava) 1979 – 100 m, kamenitá;
Orlík (Vltava) 1963 – 91 m, gravitační;
Vír (Svratka) – 72 m;
Vrchlice (Vrchlice) 1970 – 40 m, klenbová

8. Účel a charakter jezových staveb  V  úvodu je nutno jasně rozlišit následující říční stavby : spádový stupeň - balvanitý skluz - jez - přehrada   - Spádový stupeň - objekt, kterým snižujeme podélný sklon dna. Spá- dový stupeň nevzdouvá vodu. Při budování není nutno provádět výrazné úpravy břehů, mnohdy však bývá nutná stabilizace dna pod stupněm. (materiál - kámen, dřevo, beton...)  - Skluz (balvanitý) Spádový stupeň je možno nahradit šikmou rovinou ve sklonu zpravidla 1 : 6 až 1 : 12. Šikmá plocha bývá nejčastěji tvořena lomovými kameny. Konkrétní sklon šikmé plochy volíme tak, aby rychlost proudění nepřesáhla 3,5 m s-1 .  - Jez (pevný, pohyblivý) vzdouvací objekt pro trvalé zajištění dostatečných hloubek v nadjezí, pro soustředění spádu k využití vodní energie i pro zmenšení sklonu dna toku - Přehrada - v obecné rovině je to každá překážka vodnímu proudu. Přehrada tedy „přehrazuje“ vodní tok, je jí například i noha vložená do potůčku ale i jez a samozřejmě i vysoká tížní hráz.
1

10 2

3 4 5
6 8
11

12 7
9  A.        Účel a stavby jezu
 
- Zajištění hladiny stálého nadržení „HSN“ pro odběry
- Zajištění rozdílu hladin (spádu na jezu) pro energetické využití

- Zajištění potřebné plavební hloubky

- Vytvoření vodní nádrže pro potřeby rekreace, sportu....

- Zmírnění spádu dna

- Ostatní ( zajištění úrovně hl. podzemní vody, ekolog. důvody....) Dále budeme věnovat pozornost především jezové stavbě  Základní pojmy pevné jezové stavby (podélný řez - schéma)  1. Koruna přepadové hrany (jezu) 2. Přelivná plocha3. Vlastní jezové těleso 4. Převodová plocha5. Dno vývaru 6. Vývarová deska7. Základová spára 8. Práh vývaru9. Těsnící (štětová) stěna 10. Předprsí jezu11.Kamenný stabilizační zához 12. Dilatační spára  Jez plní většinou několik z uvedených funkcí současně (zdymadlo) B.        Základní rozdělení jezů - Jezy pevné - trvale vzdouvají vodu (HSN)  - pro umožnění vyprázdnění jezové zdrže nutná jezová propust.(opatřená např. stavidlem) - vhodné především pro malá vzdutí, při upravách horských toků, kde se podílí i na plnění funkce stabilizace dna   - u toků s vysokými břehy, kde se minimálně projeví vliv na úroveň hladiny podzemní vody  - tam, kde je třeba zalištění HSN,s minimálním negativním ekologickým dopadem    Výhody : - nepotřebují obsluhu - minimální údržba - jedná se o poměrně jednoduchou stavbu - osvědčená bezporuchová konstrukce - investičně méně náročná stavba   Nevýhody : - nemožnost regulovat HSN - zanášení jezové zdrže, narušení chodu splavenin - kolísání hladin HSN vede k rozkolísání hladiny podzemní vody v okolí jez - ovlivnění ledochodu    Základní půdorysné uspořádání pevné jezové konstrukce :  1. Osa přelivné hrany je kolmá k ose toku 2. Osa jezu šikmá k ose toku (zvětšuje se délka přelivné hrany) 3. Přepadová hrana zakřivená --- „ --- 4. Přepadová hrana zalomená --- „ ---




1 2 3 4



osa toku Jezy pohyblivé - vhodné pro velká vzdutí, jsou základní stavbou pro velká zdymadla.
 
Skládají se z pevné spodní stavby a pohyblivé hradící konstrukce .
 
Výhody : - možnost regulovat HSN
 
- lepší možnost využití nadržené vody
 
- možnost proplachování jezové zdrže, . umožnění ledochodu
 
- stavba je bezpečnější při povodňových . průtocích
Nevýhody : - ekonomicky náročnější stavba  - technicky náročnější zařízení  - větší nároky na obsluhu, údržbu  - možnost poruchy ovládacích mechanismů  - nutnost členění na jezová pole, budování lávky   Pohyblivé jezy jsou budovány s osou kolmou k ose toku , zakřivení, či zalomení pouze ve vyjímečných případech.    Rozdělení pohyblivých jezů : 1. Poklopové jezy ( např. klapkový jez) 2. Stavidlové jezy (nejstarší, stavidla s klapkou, vícedílná stavidla...) 3. Segmentové jezy ( zdvižný, spustný, s klapkou) 4. Válcové jezy ( zdvižný, spustný, s klapkou) 5. Ostatní - hydrostatické, vakové...    Návrhový průtok QN  Vycházíme z návrhového průtoku upravované části toku. Kapacitní průtok Qk jezem musí být vyšší, případně roven návrhovému průtoku. takže : Qk  QN přičemž  QN =  . m . bz . 2g . (h + k)3/2 (h0)  .... součinitel zatopení ( u dokon. přep. = 1, jinak je funkcí hz / hm .... součinitel přepadu (nabývá hodnot cca 0,3 - 0,5)h .... přepadová výškak .... rychlostní výška bz .... představuje účinnou šířku přepadu h0… h + k   Je-li „Bj“ celková šířka jezu , bk zohlední vliv kontrakcí, bc celková šířka pilířů, pak :  bz = Bj - bk - bc bk = b0 - 0,1 n  h0  b0 ... součet stavebních šířek všech jezových polí (Bj-bc) n ..... počet kontrakcí  ..... součinitel zohledňující tvar pilíře h0 .... = h + k  Toto platí obecně pro výpočet kapacity jezu.  Koncepční a dispoziční řešení zdymadel  Zdymadlo (úplné) – tvoří jez, plavební komora,malá vodní elektrárna (neúplné) - chybí – li plav.komora, či elektrárna 1.     Průzkumné práce a podklady Geodetické podklady zahrnují především -   přehlednou mapu řešené lokality se zaznačením vrstevnic a : komunikací vedení všeho druhu zastavěných ploch chráněných oblastí zemědělkých ploch..   a to v měřítku 1 : 5 000 až 1 : 25 000 -    podrobnou situaci lokality jezu nebo zdymadla s vrstevnicemi, výškovými body, aj. – viz výše, v měřítku 1 : 100 až 1 : 2 000 -     podélný profil toku se zaměřenými průběhy hladin 1 : 1000 (2000) /100 -     příčné řezy koryta toku a jeho přítoků  -     posport toku a objektů v dotčené oblasti (např. podjezdné výšky mostů, popisy vedení, aj.  -      seznam vodních značek a značek velkých vod, říční polygon, výškové body  Geologické podklady Rozsah určujeme dle složitosti geologických poměrů, i dle významu stavby. Obvykle jsou požadovány údaje : -                 o geologických a hydrogeologických poměrech-                 o stupni seismicity-                 o vhodných zdrojích stavebních materiálů  Hydrologické podklady Kromě základních údajů (plocha povodí, průtokové poměry…),je tvoří: -                 čára překročení průměrných denních průtoků-                 čára opakování velkých vod-                 průběhy povodní, především Q100-                 údaje o zimním režimu toku a přítoků (délka zámrzu, tlouš%tka ledu, ledochodu…-                 údaje o chodu splavenin a plavenin-                 údaje o čistotě vody v toku -                 ostatní (údaje o možnosti výskytu plovoucích předmětů,   1.     Koncepční řešení zdymadel Nejčastějšími uživateli vodních děl na středních a velkých tocích jsou energetika a plavba. Při návrhu zdymadel na kanalizovaných tocích s energetickým využitím se obvykle využívají tato schémata řešení : -                 říční schéma (plavební komora i elektrárna vedle jezu)-                 derivační schéma (podél splavněného toku derivační kanál)-                 říčně-derivační schéma (kombinace předešlého)   1.     Dispoziční řešení zdymadel (str. 27 Jezy)   Vliv jezu na vodní tok a přilehlé území Výstavba jezu výrazně ovlivní přirozený režim toku, proudění podzemní vody v oblasti jezu, zvýšení hladiny v nadjezí pak i říční bio a zoocenózu, změněn je i ledochod, vliv se může projevit i na stabilitu svahů tvořících břehy toku. A.    vliv zvýšení hladiny v nadjezí - u úzkých zdrží možnost vzniku translačních vln (náhlá manipulace) - u velké plochy hladiny možnost vzniku oscilačních vln (abraze) - ovlivnění úrovně hladiny podzemní vody - narušení obvykle vyváženého splaveninového a plaveninového režimu - ovlivnění zimního režimu (častější zámrz hladiny, ledový nápěch, možnost vzdutí hladiny především u kaskád) - změna úrovně spodní vody – koresponduje s hladinou v toku B. vliv proudění vody přes jez - ohrožení stability dna v podjezí - ohrožení stabilty břehů i vlastního jezu - ovlivnění chodu plavenin a splavenin - ovlivnění podjezí ledochodem C. vliv změny režimu proudění a vzdutí hladiny na okolí toku - vliv na břehové a doprovodné porosty v nadjezí - vliv na ichtiocenozu v nadjezí - vliv na kvalitu vody v toku - u splavných toků vliv lodní dopravy (stavební zásahy na rejdě, nutnost úpravy toku 
9. Pevný jez konstrukce pevného jezu, typy pevných jezů, zakládání..  A. konstrukce pev. jezu - návrh tvaru přelivné plochy jezu : Ideální tvar přelivné plochy = proudnicová přelivná plocha   Tvar proudnicové plochy můžeme určit :  1. pomocí experimentálních rovnic, např dle : Smetany, Scimeniho, Oficerova.....   2. na základě geometrické podobnosti ze základního dolního obrysu jednotkového paprsku (h = 1,0 m) Základní rozdělení přelivných ploch:   - bezpodtlaková - mezní plocha před vznikem podtlaků, pro tuto plochu navrhli Creager a Oficerov omezení křivkou o rovnici y = 0,47 x  - podtlaková - zde existuje reálné nebezpečí „vysávání“ částic betonu a tím porušování povrchu plochy, nutné případné zavzdušňování. Rovnice obrysové křivky dle Scimemiho y = 0,5 x1,85   - tlaková - výrazně zvětšuje rozměry přel. tělesa. Např. dle Smetany je tato plocha ohraničena křivkou o rovnici : y = 0,46109 x1,85 (zde uváděné souřadnice platí pro h = 1,0 m) B. Přelivné těleso pevného jezu :  - musí vlastní hmotností odolat zatížení vodou, náplavy, ledy, aj.  - přel. plocha má být upravena tak, aby umožnila bezeškodný průtok  - stavební materiál musí odolat předpokl. namáhání (obrus ). ..... Proto většinou budujeme masivní betonovou konstrukci s příslušným tvarem přelivné plochy .   Přepadový součinitel „m“ V rámci cvičení budeme předpokládat tlakovou proudnicovou přelivnou plochu dle Smetany. Hodnota přepadového součinitele mn = 0,487, a to pro návrhovou přepadovou výšku hn = 1,1 hmax Pro přepadové výšky menší než hn nutno