Autoři výsledku:
doc. Dr. Ing. Pavel Fošumpaur, Ing. Martin Hladík, Ing. Martin Horský, Ph.D., Ing. Tomáš Kašpar, Ing. Martin Králík, Ph.D., Ing. Jitka Kučerová, CSc., Ing. Jan Ouhel, Ing. Lucie Norková, Ing. Vojtěch Sýs, Ing. Milan Zukal, Ph.D. (ČVUT v Praze, 2020).
Odkaz na technickou dokumentaci:
Technická dokumentace ke stažení v PDF zde (velikost souboru 2,5MB)
Cílem výsledku funkční vzorek (Gfunk) je v souladu s přihláškou projektu č. DG18P02OVV004 optimalizovat nautické a hydraulické podmínky v okolí zdymadel na Labsko-vltavské vodní cestě (LVVC). Problematika vhodných nautických a hydraulických poměrů v okolí historických zdymadel na LVVC je velmi významná s ohledem na zajištění bezpečných plavebních podmínek a zachování jejich kulturně historického významu. Na LVVC je v posledních letech jasně patrný nárůst využívání této vodní cesty pro sportovní a rekreační účely a otázka bezpečných plavebních podmínek je zde velmi aktuální. V rámci etapy projektu č. 1.2 „Identifikace ohroženého technického kulturního dědictví na LVVC“ byla zpracována expertní analýza plavebních podmínek na jednotlivých zdymadlech LVVC. Následně byla pro zpracování funkčního vzorku vybrána ve shodě s přihláškou projektu problematika nautických podmínek v prostoru horní a dolní rejdy plavebních komor. Při zaplouvání a vyplouvání plavidel do plavebních komor je prostor vjezdu vždy chráněn dělící zdí (pilířem) mezi nadjezím/podjezím a horní/dolní rejdou plavební komory, viz obr. 1.
Na obr. 1 je znázorněna typická dispozice nadjezí zdymadel na LVVC. Jednotlivá zdymadla obsahují velmi často kromě jezové konstrukce také objekt malé vodní elektrárny (MVE) a na protilehlém břehu je zpravidla umístěna plavební komora. Prostor před plavební komorou je od nadjezí oddělen pomocí dělící zdi, která vymezuje prostor tzv. horní rejdy před horními vraty plavební komory. Horní rejda slouží pro bezpečné zastavení plavidla a pro ochranu čekacího stání plavidel čekajících na proplavení. V případě dolní rejdy je situace analogická.
V oblasti zhlaví dělící zdi je pak klíčové zajištění maximální příčné složky rychlosti do limitu 0,2 m.s-1 v souladu s požadavkem vyhlášky 222/1995 Sb. (vyhláška Ministerstva dopravy o vodních cestách, plavebním provozu v přístavech, společné havárii a dopravě nebezpečných věcí). Tento požadavek vyplývá z potřeby zajištění bezpečných plavebních podmínek v okolí dělící zdi, neboť v opačném případě (při překročení limitní hodnoty příčné složky rychlosti) reálně hrozí střet plavidla s dělící zdí s následnou plavební nehodou. Tato situace je v současnosti aktuální na některých zdymadlech na LVVC a vyžaduje technické řešení. V obr. 1 jsou schematicky vyneseny proudnice, které v okolí dělící zdi křižují trajektorii připlouvajícího plavidla. Ve schématu je vyznačena celková rychlost jako u a jsou také vyznačeny její složky: podélná rychlost ux a příčná složka rychlosti uy. Situace je v případě dolní rejdy plavební komory obdobná a také zde platí požadavek nepřekročení limitní hodnoty příčné složky rychlosti v okolí dolní dělící zdi. Velké příčné rychlosti v okolí zhlaví dělící zdi rovněž často působí vymílání materiálu dna a vzniku hlubokého výmolu, který ohrožuje stabilitu konstrukce zdi podemletím. Z minulosti jsou známé případy destrukce dělící zdi z těchto příčin.
Obr. 1 Rychlostní pole před horní rejdou v okolí zhlaví dělící zdi.
Uvedená problematika nevhodných proudových poměrů je v rámci jednotlivých existujících nebo nových zdymadel posuzována zpravidla vždy individuálně pomocí samostatného hydraulického výzkumu. Účelem předloženého funkčního vzorku je tento postup zefektivnit s využitím unikátního laboratorního zařízení, které umožňuje velmi pohotově ověřit proudové poměry v okolí libovolného zdymadla na LVVC a následně optimalizovat opatření pro zajištění vhodných hydraulických a plavebních podmínek. Optimalizace zpravidla spočívá v prodloužení dělící zdi a/nebo v aplikaci ponořených průtočných oken pod hladinou v dělící zdi, aby nebyl narušen vnější vzhled konstrukcí a kulturně historický charakter zdymadla.
V rámci výzkumu byl sestrojen hydraulický fyzikální model - funkční vzorek (druh výsledku Gfunk), který je koncipován jako unikátní laboratorní zařízení, které umožňuje s využitím připravených dílců vytvořit dispoziční uspořádání libovolného zdymadla na Labsko-vltavské vodní cestě. Dispoziční uspořádání libovolného zdymadla na LVVC je osazováno do předem připraveného laboratorního žlabu o rozměrech 4,0 x 6,0 m s napojením na hydraulický okruh vodohospodářské laboratoře fakulty stavební ČVUT v Praze. Zařízení umožňuje snímání rychlostních poměrů v celém rozsahu zdymadla. Cílem výzkumu je optimalizace plavebních podmínek při zaplouvání a vyplouvání plavidel z plavební komory při různých průtocích ve vodním toku a manipulacích s jezovými uzávěry. Do výzkumu jsou také zapojeni studenti fakulty a výsledky jsou rovněž využívány při praktické výuce specializovaných předmětů fakulty a pro prezentaci projektu.
Na základě analýzy dispozičního uspořádání vybraných zdymadel, která vykazují v současné době potřebu prověření bezpečných plavebních podmínek a zvoleného měřítka geometrické podobnosti hydraulického modelu (1:50) byly odvozeny minimální potřebné rozměry hydraulického žlabu. Napojení hydraulického modelu na centrální okruh laboratoře je provedeno přívodem vody, který je měřen pomocí indukčního průtokoměru DN100 do uklidňovacího prostoru na začátku modelu délky 0,75 m, viz obr. 2. Zde je přivedená voda rozvedena rovnoměrně po celém horním okraji modelu, aby bylo dosaženo rovnoměrného natékání navazující říční tratě před zdymadlem.
Hydraulický žlab byl vytvořen z žebrových polypropylenových desek o rozměrech 1,0 x 0,5 m. Vodotěsnosti žlabu je dosaženo aplikací jezírkové fólie tl. 1 mm. Výška žlabu je 0,5 m a umožňuje nastavit v daném měřítku vzdutí libovolného zdymadla na LVVC. Zatížení bočních PP stěn je přenášeno pomocí roznášecích PVC desek do podlahy laboratoře. Na vrchu bočních stěn byly osazeny zanivelované válcované profily U80, které slouží pro pojezd měřící techniky pro snímání rychlostí v prostoru zdymadla pomocí ADV sondy.
Na dně žlabu byl osazen pozinkovaný plech tl. 1,0 mm, na který byla lihovou barvou vyznačena měřící síť v rastru 0,1 x 0,1 m. Tato měrná síť následně usnadňuje osazování dispozičního uspořádání jednotlivých zdymadel na LVVC pomocí připravených výkresů. Dno bylo opatřeno pozinkovaným plechem zejména z důvodu, aby bylo možné snadno připevňovat „L“ úhelníky pomocí silných magnetů. Tyto L profily následně slouží jako opora pro vkládané stavebnicové prvky břehových linií, dělících zdí, svodidel a dalších prvků v rámci dispozičního uspořádání daného zdymadla. Uvedený postup je velmi operativní a umožňuje velmi rychlé přestavění dispozičního uspořádání jednotlivých zdymadel a operativní testování různých konstrukčních úprav s cílem optimalizovat rychlostní poměry s ohledem na zajištění bezpečných plavebních podmínek.
Obr. 2 Funkční vzorek – univerzální hydraulický model zdymadel na LVVC.
Simulace jezových polí, plavební komory a malé vodní elektrárny (MVE) v profilu dolní okrajové podmínky je zajištěna prostřednictvím univerzálního systému, který umožňuje nastavení libovolných šířek jezových polí a pilířů. Ve spodní části modelu jsou ve dně a v úrovni mostu strojoven jezu připraveny vodící profily pro možnost rektifikace libovolné šířky jezových polí. Obtékané jezové pilíře a pilíř mezi jezem a MVE byly připraveny jako unifikované prvky modelací extrudovaného polystyrenu, viz obr. 3. Uzávěry jezových polí jsou připraveny pomocí PVC desek připevněných ke spodní stavbě pomocí pantů na táhlech, aby bylo možné nastavovat požadovanou úroveň hladiny vody v profilu jezu v souladu s manipulačním řádem.
Obr. 3 Konstrukce objektů dolní okrajové podmínky – pilíře jezových polí.
Po nastavení příslušné průtokové a manipulační situace na hydraulickém modelu daného zdymadla se přikročí k měření rychlostních polí. Rychlostní pole je dáno měřením vektorů rychlostí v rovině XY v předem připravené síti měrných bodů vyznačených na pozinkovaném plechu dna modelu. Pro měření vektorů rychlostí je využita sonda ADV. Sonda ADV (Acoustic Doppler Velocimeter) využívá k měření aktuální rychlosti Dopplerův princip. Zařízení nejprve podél svislé osy vysílá krátký akustický puls o známé frekvenci. Echo z vody je přijímáno ve třech přijímačích. Následně je zesíleno v modulu úpravy a digitalizováno/analyzováno v sondě. Frekvenční posun mezi vysílaným pulzem a přijímanou ozvěnou je úměrný rychlosti vody. ADV poté vypočítá rychlost vody ve směru os x, y a z.
Ověření funkčního vzorku bylo připraveno pro zdymadlo Lysá nad Labem. Problém existuje v horní zdrži, resp. v horním plavebním kanálu (HPK), kde při velkých průtocích může příčné proudění negativně ovlivňovat plavbu. Jedná se zejména o oblast na vjezdu do horní rejdy v okolí zhlaví dělící zdi.
Poděkování
Funkční vzorek vznikl na základě podpory řešení projektu č. DG18P02OVV004 s názvem „Dokumentace a prezentace technického
kulturního dědictví na Labsko-vltavské vodní cestě“ v rámci programu na podporu aplikovaného výzkumu a experimentálního
vývoje národní a kulturní identity financovaného Ministerstvem kultury ČR.