Katalog drsnosti Ústavu vodních staveb Fakulty stavební VUT v Brně

Při navrhování úprav vodních toků a revitalizačních opatření, stanovování rozsahu záplavových území nebo kapacity stávajícího koryta je nutné vyjádřit ztráty ve vyšetřovaném úseku.

Na toku víceméně pravidelného tvaru převažují nad ztrátami místními ztráty třením po délce. Tření po délce lze vyjádřit několika způsoby, ovšem nejpoužívanější je stanovení Manningova součinitele drsnosti n. Na určení tohoto součinitele výrazně závisí přesnost celého výpočtu, neboť všechny ostatní parametry pravidelného koryta, které vstupují do výpočtu, lze změřit. Přesná metoda stanovení součinitele zatím neexistuje a záleží tak na znalostech místních poměrů, zkušenostech a úsudku projektanta.

Cílem je pochopit faktory ovlivňující odpory proudění a poskytnout vodítko k určení součinitele drsnosti.

Definice drsnosti

Drsnost je termín používaný hydraulickými inženýry a hydrology k měření (odhadu) odporu proudění, které vytváří v korytě materiál, vegetace a jiné fyzické složky. Drsnost je vliv bránící normálnímu průtoku vody v kanálu přítomností přírodních nebo umělých subjektů anebo subjektů biotických (vegetace) nebo abiotických (povrch stěn, materiál). Drsnost bývá obvykle rozdílná na dně, březích a v inundaci (záplavové území mimo vlastní koryto).

Způsoby stanovení drsnosti

Odpor proudu je základní informace potřebná v analýze hydrauliky otevřených koryt. Pro vyjádření odporů v otevřených korytech lze využít následující přístupy:

Čtěte také: Nabídka HELUZ

• Darcy-Weisbachův, kde je drsnost vyjádřena součinitelem ztrát třením λ [-],
• Chézyho, kde je drsnost vyjádřena rychlostním součinitelem C [m^1/2/s],
• Manningův, kde je drsnost vyjádřena součinitelem drsnosti n [s/m^1/3].

Jednotlivé způsoby vyjádření drsnosti jsou spolu navzájem propojeny.

Výše uvedené koeficienty lze získat na základě:

• tabulek, grafů, empirických vzorců,
• měření v laboratoři nebo v terénu,
• Cowanovy metody,
• srovnání řešené lokality s fotografiemi uvedenými v katalozích drsnosti (Manningův součinitel drsnosti n).

Cowanova metoda

Cowanova metoda představuje přístup, při kterém se viditelným parametrům přiřazují součinitele. Subjektivita je omezena slovním popisem a rozmezím hodnot. Výsledná hodnota by se měla přibližovat vypočtené hodnotě drsnosti. Na několika lokalitách byly podle fotografií vybírány předvolené součinitele a pomocí vzorce stanovena výsledná drsnost dle této metody. Slovní popis součinitelů (parametrů) byl přeložen, zkrácen a drobně upraven.

Rozbor výsledků Cowanovy metody:

• zeleně podbarvené hodnoty se velmi blíží hodnotám vypočteným,
• červeně podbarvené hodnoty jsou rozdílné od vypočtených,
• v případě známých nízkých a vysokých hodnot drsnosti se hodnoty vypočtené touto metodou odchylují,
• chybí hodnoty součinitelů pro betonové povrchy, kameny a balvany (metoda odvozena pro mikrodrsnost) a nepřítomnou vegetaci.

Zahraniční fotografické katalogy drsností

V dnešní době existuje několik takových katalogů drsnosti. Některé jsou vydány knižně, například:

• HICKS, DM., Masson PD. Roughness characteristics of New Zealand rivers. Wellington : Water resources survey. 1998. 329 s. ISBN 0-477-02608-7.
• Chow, V.T., (1959), Open-channel hydraulics; McGraw-Hill, New York, NY, 680 p.

Tento katalog je v současné době veřejně nepřístupný.

Čtěte také: Průvodce sanačními metodami

Nabízí se srovnání s tabulkovým přehledem součinitelů drsnosti. Tabulky uvádějí poměrně přesné hodnoty pro běžné stavební materiály (beton, dřevo, kamenná dlažba). Pro přírodní koryta někdy uvádějí stručný popis („zemní kanály v poměrně špatném stavu“), který nedává dostatečnou představu o korytě. Navíc je rozptyl uváděných hodnot u přírodních koryt značný. Fotografický katalog je vhodným rozšířením k tabulkám.

Úskalí zahraničních fotografických katalogů drsností

V některých katalozích schází fotografie pro celé spektrum průtoků, případně jsou fotografie nekvalitní, nezachycují celé koryto. Některé zahraniční katalogy obsahují i fotografie řek, které nejsou pro ČR typické nebo se u nás téměř nevyskytují. Středoevropské řeky se liší šířkou nebo hloubkou toku, zrnitostí dna nebo výskytem jiné vegetace na svazích koryta.

Pro ilustraci podobnosti toků v ČR se zahraničními katalogy uvádíme srovnání:

O katalogu drsnosti VUT v Brně

Tento e-learningový kurz a různě zpracované typy katalogu drsnosti vznikly za přispění projektu Fondu rozvoje vysokých škol FRVŠ 2002/2011. V roce 2011 byla měřena a vyhodnocena data z 10 beskydských a 18 jihomoravských toků. Výsledkem je 62 hodnot součinitele drsnosti na přírodních, upravených i umělých korytech v běžných, povodňových i suchých vodních stavech.

Výběr lokalit

Lokality byly voleny tak, aby vybraný úsek nebyl ovlivněn výraznými změnami profilu, sklonu, struktury dna a přítoků. Pro zvýšení variability byla vybírána koryta různých rozměrů a podélných sklonů (horní tok není široký a má velký podélný sklon, u středního a dolního toku je tomu naopak), v hlubších i mělčích (širších) korytech, v korytech různých zrnitostí (jílové, pískové, štěrkové, kamenité, balvanité dno), korytech různých tvarů (lichoběžník, obdélník, miskovité koryto), různých průtoků (po přívalových srážkách, při upouštění vody z přehrad pro vodáky, před a po činnosti MVE, během bezesrážkového období), v intravilánech (udržované svahy) a extravilánech (zarostlé břehy), v přímých úsecích i mírných obloucích.

Čtěte také: Stavební detaily atiky střechy

• zvýšený vodní stav
• běžný vodní stav
• stav sucha
• přirozené koryto
• upravené koryto
• umělé koryto
• téměř bez vegetace
• s řídkou vegetací
• s hustou vegetací
• s jemnozrnným materiálem (písek, štěrk)
• s hrubozrnným materiálem (štěrk, kameny)
• s hrubozrnným materiálem (kameny, balvany)

Aby se ušetřil čas s měřením rychlostí vodoměrnou vrtulí, byly vybrány lokality v blízkosti limnigrafů ČHMÚ a podniků povodí s online vyhodnocením průtoků. Tyto průtoky je vhodné dodatečně ověřit u provozovatele měření. Pozor, údaje o průtoku stejného profilu se na různých webových stránkách neshodují. Příčinou může být neaktuální měrná křivka limnigrafu, kterou ČHMÚ kalibruje několikrát v roce! Před vyhodnocením byla studována problematika stanovení drsnosti. V závěru byla data přenesena do programu HEC-RAS a byl kalibrován součinitel drsnosti n tak, aby se vypočtené úrovně hladiny shodovaly s naměřenými.

Zrnitostní rozbor probíhal v Laboratoři vodohospodářského výzkumu (LVV), která je součástí Ústavu vodních staveb. Po vysušení bylo provedeno oddělení přischlých drobných zrn z větších kamenů a následný standardní sítový rozbor na dvou prosévacích strojích (řada sít do 125 mm rozdělená na dvě části). Vzorky byly vyfotografovány před a po prosévací zkoušce. Následně byla vynesena křivka zrnitosti a stanoveno efektivní zrno def.

Je vhodné se zmínit, že na dně toku leží zrno svou největší plochou s rozměry a x b a výčnělky mají rozměr c. Při sítovém rozboru propadají zrna nejmenší plochou c x b. Při odběru hrubozrnného materiálu tedy měříme rozměr b. Lze konstatovat, že křivky zrnitosti se u odebraných vzorků většinou výrazně neliší. Ojediněle ale dochází k velkému rozdílu mezi jednotlivými křivkami způsobeným zřejmě nestandardním odebráním vzorku jiných vlastností, než má zbývající část toku (nános, materiál sesunutého břehu, odebrání vzorku do větší hloubky nebo na skalnatém dně).

Geodetická data byla zpracovávána běžným tachymetrickým vyhodnocením v Excelu. Chybné výsledky polohy a nadmořské výšky zaměřených bodů (výrazný rozdíl od ostatních dat) byly opraveny nebo vyřazeny. Ze dvou měření hladin byla stanovena průměrná hodnota zaokrouhlená na celé centimetry směrem dolů. Byl uvažován předpoklad, že hladina musí se směrem proudění klesat, a tak bylo ve sporných případech přihlédnuto k vyšší nebo nižší ze dvou hodnot.

Údaje o průtocích byly zjišťovány na internetu (měření probíhá každou hodinu) dle zaznamenané nejbližší celé hodiny měření. Pro kontrolu je vhodné zapsat vodní stav odečtený z vodoměrné latě na limnigrafu. Lze tak předejít nejasnostem při poruše limnigrafu, úpravě měrného profilu nebo rychlých (méně než hodina) změnách vodního stavu během povodní. Data se doporučuje ověřit na ČHMÚ, které provádí pravidelnou kalibraci měrných profilů.

Stanovení hydraulické drsnosti bylo provedeno ve výpočtovém programu (1D) HEC-RAS. V jednotlivých profilech byla volena konstantní drsnost pro celý průřez a pro všechny profily. Je využita metoda nejmenších čtverců (hodnota * hodnota ----> záporná čísla převedena na kladná). Princip spočívá ve volbě jediného součinitele drsnosti (z vypočteného rozpětí) pro všechny čtyři profily. Hodnota, pro kterou je součet čtverců rozdílů hladin nejmenší, je zvolena za charakteristickou pro daný úsek toku, datum a průtok. Okrajovou podmínkou je známá hloubka vody v dolním profilu (ve všech případech říční proudění). Program počítá nerovnoměrné ustálené proudění metodou po úsecích, která je založena na Chézyho rovnici a rychlostním součiniteli dle Manninga.

Nejistoty při stanovení drsnosti

Proces stanovení drsnosti může být zatížen nejistotami ("chybami") při zaměření koryta, následné nivelaci hladin, odběru a vyhodnocení zrnitosti materiálu, stanovení průtoků, volbě zjednodušujících předpokladů, volbě výpočetního modelu a zpracování dat. Metodika měření a vyhodnocování dat by se měla časem zlepšovat, aby byly eliminovány známé zdroje chyb. Mezi nejistoty lze zařadit:

• chyby metodiky:
  • neměření hladiny při nivelaci na obou březích - kontrola, průměr,
  • volba střední hladiny při velkém rozkmitu hladin za povodňových průtoků,
  • zahrnutí vzdutí nebo snížení hladiny,
  • čas neuváděn v UTC (zahrnutí i letního času),
  • předpoklad konstantního profilu - bez vymílání a zanášení,
  • neuvažování eroze břehů,
  • omezení profilu na několik bodů + profily vzdáleny daleko (cca ve vzdálenosti šířky v hladině) - nelze postihnout detaily,
  • konstantní drsnost pro celý profil,
  • měření velikosti kamenů a balvanů neprovedeno na obou březích a provedeno na krátkém úseku,
  • neuvažování vlivu mírných oblouků,
  • neuvažování případného vlivu viskozních sil při velmi nízkých průtocích v malých tocích,
  • vliv provzdušnění proudu;
• chyby měření:
  • chyba v odečítání nebo zápisu při zaměření nebo nivelaci - opravení nebo vyřazení dat,
  • špatně urovnaný stroj, pohnutí se stativem,
  • odchýlení profilů od kolmice na proudnici,
  • nepřesné vytýčení profilů pásmem při následné nivelaci,
  • neustálené proudění za povodní;
• chyby přístrojů:
  • absence libely na nivelační lati - vychýlení od vertikálního směru,
  • obecně chyby přístrojů,
  • v limnigrafu skokově stoupá průtok (1cm může zvýšit průtok o jednotky až desítky procent);
• chyby výpočtového modelu:
  • hladina neklesá ve směru proudu - opravení nebo vyřazení dat,
  • obecně zaokrouhlení,
  • nerovné dno ve směru kolmém ke směru proudění - nelze použít průměrný podélný sklon mezi profily,
  • neuvažování místních ztrát - osamělé balvany,
  • zkomplikování výpočtu (nebo zanedbání) v případě vytvoření ramen s hladinami v různých úrovních.

Faktory ovlivňující drsnost

V praxi se při výpočtu proudění v otevřených korytech nejčastěji využívá jediný součinitel, Manningovo n. Jednou hodnotou je tak pro celé spektrum průtoků a dlouhý řešený úsek vyjádřen odpor povrchu včetně dnových útvarů, zakřivení koryta, vlivu vegetace a překážek. V následujícím textu bude ve spojitosti s drsností uvažován právě Manningův součinitel hydraulické drsnosti n.

Do výsledné drsnosti je nutné zahrnout následující faktory, které jsou v mnoha případech vzájemně závislé:

• materiál dna a svahů,
• tvar příčného profilu,
• průtok (vodní stav),
• výskyt vegetace,
• dnové útvary,
• výskyt výmolů a nánosů,
• roční období (vegetace, ledochod),
• údržba koryta,
• objekty v toku,
• meandrování.

Materiál dna a svahů

Za běžných průtoků vytváří odpor dna koryta převažující část odporů (za povodně se na průtoku výrazně podílí břehy, případně bermy a záplavové území). Zrnitost materiálu vyjadřuje velikost výčnělků a tím i intenzitu zasahování částic do průtočného profilu. Uvažuje se tzv. mikrodrsnost (jíl, písek, štěrk) a makrodrsnost (kameny, balvany, valouny). Někdy se mezi tyto dva stavy přidává ještě přechodná oblast, tzv. mesodrsnost. Ve vzorcích se obvykle neuvažuje tvar zrna. Zejména u balvanů lze přitom pozorovat, že náběhová hrana, zaoblení balvanů, velikost plochy balvanu nebo uspořádání balvanů v půdorysu toku má vliv na odpory (vzdutí).

Plošná drsnost je reprezentována velikostí a tvarem zrn materiálu tvořícího omočený obvod a vytvářejícího zpomalující efekt na proudění. Obecně lze říct, že jemnozrnné povrchy mají relativně nízkou hodnotu n a hrubozrnné vyšší hodnotu n. V naplaveninách toků, kde je materiál jemnozrnný, jako písek, hlína nebo bahno, je zpomalovací efekt o mnoho menší než tam, kde je materiál hrubozrnný, jako štěrk nebo balvany. Je-li materiál jemný, hodnota n je nižší a relativně málo ovlivnitelná změnou průtoku. Pokud materiál tvořen štěrkem a balvany, hodnota n je obecně vyšší, zejména při nízkých nebo velkých průtocích. Větší balvany se obvykle hromadí na dně koryta a dělají jej hrubší než břehy a zvyšují hodnotu n za nízkých průtoků. Za vysokých průtoků je část energie proudění použita pro přesun balvanů níže po toku čímž se zvýší hodnota n. Na dně koryta se časem vytvoří tzv. dno...

tags: #katalog #drsnosti #ustavu #vodnich #staveb #fakulty

Oblíbené příspěvky:

• Vlastnosti Lamina Smrk Světlý
• Jak ochránit fasádu před vlaštovkami
• Pekelná jízda Kuffenbachova komanda
• Profesionální tipy pro sloupky plotu
• Co ovlivňuje výši marže na materiál ve stavebnictví?