5.        Návrh úpravy koryta vodního toku

Zahrnuje několik základních částí:

1. návrh nového směrového vedení osy nebo břehů koryta
2. návrh nivelety dna
   • návrh podélného sklonu
   • zahloubení nivelety pod terénem
   • rozdělení na úseky s jednotným sklonem
3. návrh příčného profilu
   • návrh tvaru
   • návrh velikosti
4. volba druhu opevnění.

Všechny tyto části se musí řešit ve vzájemné souvislosti, protože jedna ovlivňuje druhou. Např. změna délky trasy vyvolá změnu sklonu, tím se změní charakter rozdělení rychlostí a tečných napětí v korytě a musí se změnit volba druhu a rozsahu opevnění. Změní-li  se opevnění, změní se drsnost koryta, změní se průtočnost koryta je nutná změna velikosti koryta.

5.1        Návrh úpravy koryta vodního toku

• je známa řada obecných zákonitostí mezi charakteristikami půdorysných tvarů stabilizovaných přirozených koryt
• jsou matematicky obtížně vyjádřitelné - je zavedeno tolik zjednodušení a předpokladů, že toto má pak pouze teoretický význam
• prakticky je možné toto matematické vyjádření použít pouze pro toky na kterých bylo experimentálně ověřeno
• dobrý návrh trasy stále závisí na citu a zkušenostech projektanta (volba křivosti a velikosti jednotlivých oblouků)
• tento stav je důsledkem složitosti morfologických procesů a pohybu splavenin, ani známé vztahy nelze považovat za uzavřené
• z výše uvedeného je zřejmá nutnost studia zákonitostí pohybu vody, stability a pohybu splaveninových částic v aluviálních korytech.

Trasa upraveného koryta

Návrh trasy úpravy je v podstatě návrh směrového vedení geometrické střednice dna navrhovaného koryta. Při volbě způsobu návrhu trasy se rozhodujeme mezi dvěma základními variantami:

a)      Maximální délka se ponechává v původní trase a navrhují se pouze opatření ke směrové stabilizaci současného koryta s odstraněním jen těch nejostřejších meandrů. Radikálnější zvýšení stupně ochrany okolního území se dosahuje např. odsazenými hrázkami.

• vyhovuje ekologickým požadavkům - maximálně využívá staré koryto
• klade nejmenší požadavky na zemní práce
• záběr přilehlých pozemků jen v malé míře
• komplikuje zemědělské obhospodařování půdy - z členitosti trasy vyplývá členitost   tvaru okolních pozemků
• bez inundačních hrázek nedojde ke zvýšení kapacity koryta
• vhodné tam, kde se v inundačním území uvažuje s intenzivním lučním hospodářstvím
• vyžaduje velmi dobrou znalost místních podmínek
• výpočtově je složitější - nejen z hlediska vedení trasy, ale i z hlediska návrhu nivelety dna a příčného profilu
• vede k různorodějším typům opevnění střídajících se na obou březích značně nepravidelně

-přirozené neupravené koryto s širokou údolní nivou značně meandruje, ale křivost     r=1/r jednotlivých oblouků málokdy splňuje podmínku minimálních poloměrů a   z toho vyplývající nutnost kompenzace volbou odolnějších typů opevnění           v konkávních březích nebo jejich úpravou (zesílení, zvětšení patky, zahloubení pod     úroveň dna…)

• u konvexních břehů může docházet k extrémnímu odlehčení a tím k jejich zanášení
• je-li požadován vyšší stupeň ochrany než odpovídá pročištěnému stabilizovanému     korytu mohou se budovat odsazené inundační hrázky-současné koryto je kynetou a část inundačního území, kterou se provádějí vyšší průtoky je mezihrází a využívá se jako louky, pro pěstování a těžbu dřeva
• osa kynety nesmí svírat s osou budoucí hráze úhel větší než 45°(obr. 5.1)
• výhodnost ohrázování je nutno prokázat technickoekonomickým rozborem
• upřednostňovat bezhrázový systém.

Přes problémy návrhu celé koncepce by tato varianta měla dostávat přednost, protože:

• splňuje nejvíce požadavky z hlediska ochrany krajiny
• příliš nenarušuje celý ekologický systém vodního toku
• je esteticky příznivá
• dosavadní břehová a doprovodná vegetace splňuje často i požadavky na opevnění    z hlediska odolnosti
• minimální zásahy do břehových porostů - prořezávky husté vegetace pro snížení        drsnosti a umožnění přístupu k vlastnímu korytu a hladině, odstranění nevhodných             druhů, doplnění chybějících porostů, zmlazení.

b)      Trasa složená výlučně z geometrických prvků - koryto má i při vysokém stupni ochrany okolního území jednotný příčný profil.

• řeší trasu pomocí oblouků vytvořených geometrickými křivkami
• důsledně plní kriterium minimálních poloměrů a z toho vyplývá opuštění původní trasy ve značném rozsahu
• vytváří se nové koryto, jednoduchého geometrického tvaru
• je výhodná pro dodavatele stavby (vysoké stavební náklady, velký rozsah zemních   prací a přesun hmot)
• poměrně jednoduchá při návrhu a výpočtech, zejména při použití jednoduchých kružnicových oblouků
• technicky jasná a přehledná, protože málo respektuje dosavadní stav koryta a nepřizpůsobuje se mu
• představuje radikální zásah do přirozených podmínek - existovaly staletí, vytvářely původní tvar koryta, skladby materiálu dna a celé údolní nivy, formovaly podélný   profil toku
• sevřením průtoků velkých vod do poměrně úzkých koryt dochází k výrazným změnám v namáhání koryta, prohlubování dna a pohybu splavenin
• snahy o zmenšení tečných napětí a rychlostí vody při zajištění dostatečné kapacity koryta pro povodňové průtoky vede k vytváření mělkých a širokých koryt
• mělká a široká koryta - při běžných průtocích nemají dostatečnou hloubku, zanáší se, zarůstají, při stabilizaci nánosů dochází ke zmenšení kapacity koryta a místním       poruchám a z toho vyplývající zvýšení provozních a udržovacích nákladů
• běžně dochází k likvidaci současných břehových porostů (intenzivní zemědělské využívání okolních pozemků)
• nové porosty dosáhnou plné biologické a estetické funkce za dobu, která činí až třetinu životnosti úpravy
• tvarově chudá, přísně geometrická koryta se těžko začleňují do krajiny
• jedná se o provedení stavby koryta - nikoli o úpravu, což není účel
• klade na navrhovatele nejmenší nároky z hlediska znalosti stanovištních podmínek, nenutí ke spolupráci s biology, pracovníky ochrany přírody, urbanisty
• jednoduchá, technicky jasná, nenáročná na koncepční práci
• technicky vyhovuje současně platným normám
• vykazuje velké krajinné nedostatky - výstavba úplně nové řeky, bez využití současného koryta
• vyžaduje velké investiční náklady
• nebývá dostatek materiálu pro zasypání starého koryta, podél toku vznikají mrtvá ramena, která nejsou vždy účelně využita
• téměř vždy nedojde k včasnému sjednocení příbřežních ploch
• komplikuje urbanistické řešení krajiny
• dochází ke ztrátám uživatelných zemědělských a lesních pozemků.

Z uvedeného popisu vyplývá, že výchozí by měl být první způsob, a teprve není-li řešení efektivní pak přistoupit ke kombinaci s druhým způsobem případně volit samostatný druhý způsob.

Obecné zásady návrhu trasy úprav toku

K návrhu směrového vedení trasy je třeba přistupovat s ohledem na to, jak bude nové koryto toku plnit základní hydrologickou funkci recipientu povrchového odtoku.

Z toho vyplývají požadavky na každý tok:

• požadavek přijatelného režimu průtoků a vodních stavů
• požadavek relativní stability koryta, směrové i tvarové
• speciální požadavky - odstranění hygienických závad a zamezení vzniku sterilních nánosů.

Při návrhu trasy se musí přihlížet k:

• současným i plánovaným vodním dílům
• chráněným oblastem
• křížením s komunikacemi a inženýrskými sítěmi
• různým přírodním překážkám ovlivňujícím odtokové poměry v údolní nivě.

Navrhujeme několik variant trasy:

• ty se mohou lišit jen v některých úsecích
• vybere se ta varianta, která optimálně splňuje požadavky: technické, provozní, biologické, ekonomické, estetické, možnosti provedení úpravy a její údržby
• některé hledisko může být pro danou oblast důležitější a trasa se vybírá podle něj (biologické a estetické Þ technicky obtížnější a náročnější na údržbu; důležité společenské nebo národohospodářské zájmy Þ ustoupí ekologické požadavky).

Navrhovaná trasa:

• má procházet nejnižšími místy údolí, využívat současné koryto
• vyloučit ostré meandry, kde mohou vznikat břehové nátrže, ledové bariéry
• nemá komplikovat zemědělské obhospodařování
• křížení s komunikacemi kolmo nebo minimálně pod úhlem 60°
• má využít břehové porosty konkávního břehu jako stabilizační prvek
• má být plynulá, střídat oblouky
• jako model může sloužit stabilizovaný zákrut neupraveného koryta.

Zvolíme-li správně tvar a délku oblouků pak:

• konkávní břeh tvoří oporu proudnici
• výmoly se vytváří tam kde je očekáváme
• stačí vhodný způsob stabilizace břehů, někdy není potřebné ani opevnění. (obr. 5.5).

přímé úseky:

• co nejvíce omezit - proudnice je nestabilní
• jsou nutné v zastavěném území, při křížení s komunikacemi
• při volbě trasy z jednoduchých kružnicových oblouků tvoří přechodné úseky.

Tvar, křivost, délky oblouků by měly odpovídat (podobat se) tvaru, křivosti a délce oblouků stabilizovaného přirozeného toku. V inflexních bodech (brody) r=1/r=0, po vodě křivost stoupá, ve vrcholu oblouku r=max.

5.2        Křivky používané při návrhu trasy

Jednoduchý kružnicový oblouk

Křivost se mění skokem, od začátku oblouku je křivost konstantní  až na konec oblouku.(obr. 7.9)

Je nutné vkládat přímé úseky, které mají funkci přechodnic. Délky přímých úseků se navrhují v rozmezí L=2 až 4B, kde           B-šířka koryta v hladině břehového průtoku, L-délka přímého úseku.

Nejmenší přípustný poloměr dle normy je

a)      pro jednoduchý kružnicový oblouk

r _min=6B

b)      pro přechodnicový oblouk, nebo pro oblouk složený kružnicový

r _min=4B

r _min-poloměr oskulační kružnice ve vrcholu oblouku, popř. nejmenší poloměr složeného kružnicového oblouku.

Pro menší toky s poměrem B/r₂ v rozmezí 0,2 až 0,7 se ověřuje při návrhu trasy křivost oblouků výrazem

b-šířka koryta ve dně,

j-úhel vnitřního tření materiálu neopevněného dna.

Jednoduchý kružnicový oblouk je doporučován v případě,že vnitřní úhel tečen 2a je abnormálně tupý - větší než 160° (obr. 7.10), přechodnicový oblouk by zde nevyvolal žádnou změnu křivosti na značné délce.

Trasu zásadně navrhujeme z protisměrných oblouků, nelze-li pak dva stejnosměrné oblouky s vloženou přímou tratí, je nutno navrhnout vhodné technické opatření k zabezpečení stability koryta.(opevnění, odtěžování nánosů).

Při návrhu vložíme dotykové body Z a K do tečnového polygonu, přičemž součet délek tečen dvou sousedních oblouků a vloženého přímého úseku se rovná délce strany tečnového polygonu. Při řešení jednotlivých oblouků pro daný vnitřní úhel tečen 2a a délku tečny t spočítáme velikost poloměru r, kterou podle velikosti toku zaokrouhlujeme na desítky, pětadvacítky, padesátky metrů, pro navržený poloměr opravíme délku tečny t a přímé trati L.

Složený kružnicový oblouk

Oblouky jsou vytvořeny pomocí kružnic s různými poloměry. Křivost se mění stupňovitě v závislosti na délce obloku. Na začátku i konci oblouku je křivost nejmenší, směrem k vrcholu oblouku se stupňovitě zvětšuje. Může být souměrný nebo nesouměrný, s použitím dvou a více poloměrů křivosti.

Nevýhoda: pracný při výpočtech, vytyčování, přetržitá změna křivosti, nenulová křivost na začátku a konci oblouku.

Poloměry kružnic mají být ve vhodném matematickém vztahu, např. pro 3 různé poloměry můžeme volit

r₃-r₂=r₂-r₁ nebo r₁:r₂:r₃=1:2:3 apod.

Stupňovitá změna křivosti je vyvážena jednoduchostí křivky.

Požadujeme-li aby délky jednotlivých kružnic s souměrného oblouku byly stejné pak platí

r_i-poloměry jednotlivých kružnic,

b_i-jim odpovídající středové úhly.

Můžeme napsat

Uvažujeme-li oblouk dle obrázku 7.11,pak platí

Z trojúhelníku ZOV je

b₃+b₂+b₁=90°-a

Po dosazení dostaneme

Z této rovnice pro zvolené poloměry r_i určíme úhel b₁ a potom úhly b₂ a b₃. Velikost tečny t určíme z podmínky, že průmět obvodu uzavřeného mnohoúhelníku ZABCDEKVZ do libovolné osy, např. ZA, se rovná nule. Použijeme pouze vnitřní úhly b_i, zvolíme smysl úseček od oblouků ke středům kružnic kladný, od středu k obloukům záporný

[r₃-(r₃-r₂)cos b₃-(r₂-r₁)cos( b₃+b₂)+(r₂-r₁)cos( b₃+b₂+2b₁)+(r₃-r₂)cos( b₃+2b₂+2b₁)-r₃ cos(2 b₃+2b₂+2b₁)]-t_kcos(2 a-90^°)+t_zcos90 ^°=0

U souměrného oblouku platí t_k=t_z=t. Označíme-li výraz v hranaté závorce A, získáme

Složený nesouměrný kružnicový oblouk se řeší obdobně (obr.7.12). Např. chceme aby vstupní část oblouku byla vytvořena poloměry r₃ a r₂. Za vnitřní částí oblouku o poloměru r₁ má následovat jen oblouk s poloměrem r₂ a bezprostředně za ním koncová tečna t_k. Je dán vnitřní úhel tečen a_s, r₁,r₂,r₃ a s=konst. Středový úhel 180 °-a_s rozdělíme na b₃, b₂, b₁, b₂ rovnicemi nebo graficky tak, že

b₃+b₂+b₁+b₂=180°-a

Délka vstupní tečny se určí z mnohoúhelníku ZABCDKV´ průmětem do normály `DK, délka koncové tečny t_k promítnutím do normály ZA.

Oblouky s proměnnou křivostí

Kvadratická parabola

Má po délce proměnnou křivost, nenulovou křivost v počátku a konci oblouku.

Kromě ostrých vnitřních úhlů tečnového polygonu příliš nesplňuje požadavek přechodnicové křivky, protože je poměrně plochá a poloměry ve vrcholu oblouků má relativně velké.

Obecná sinusoida

Daná rovnicí

                        y=a sin nx       kde

a - vzepětí půlvlny, umožňuje volit libovolně štíhlý oblouk trasy v daném oboru tečnového úhlu

n - na základní sinusoidě má význam frekvence, tj. počtu celých vln připadajících na jednu periodu (2p)

Patří mezi nejvhodnější křivky, protože průběhem křivosti odpovídá stabilizovaným přirozeným tokům.

V běžné praxi se příliš nepoužívá pro relativně složitější výpočty, a protože nejsou k dispozici vhodné vytyčovací tabulky.

Klotoida

Jednoparametrická křivka, mění křivost spojitě úměrně délce oblouku. V každém bodě křivky je součin poloměru křivosti a délky oblouku konstantní. Křivka je známá a používaná zejména v dopravních stavbách.

Lemniskátové oblouky

Pro úpravy toků se u nás nejvíce používá Bernoulliho lemniskáta (obr.7.13), mění křivost úměrně změně délky průvodiče uvažovaného bodu oblouku. Je to jednoparametrická křivka, kde konstantou úměrnosti je délka poloosy a. Nemá tak pozvolný vývoj křivosti v  celém rozsahu jako klotoida, ale má jednoduché početní rovnice k určování hlavních prvků oblouku a existují dostatečné vytyčovací tabulky. Problémy s výpočtem délky oblouků.

Hlavní předností lemniskáty je vhodná plynulá změna křivosti z r=0 do r _max. Pro lemniskátový oblouk trasy používáme pouze určitou část s, střed lemniskáty s křivostí r=0 klademe do počátku oblouku Z a z křivky použijeme takový díl, který odpovídá danému vnitřnímu úhlu tečen (popř. jeho polovině). U souměrných oblouků je tento díl omezen vrcholem oblouku, jehož tečna je kolmá na osu tečnového úhlu 2a.

Lemniskáta má od dvou pevných bodů  stálý součin vzdáleností rovný a²/2.

Lemniskáta má rovnici  

V polárním tvaru        l - polární délková souřadnice (průvodič)

                                                           j - polární úhlová souřadnice (odchylka průvodiče)

Jestliže úhel mezi normálou v libovolném bodě P a počáteční tečnou označíme a, pak platí:                               

Úhel mezi normálou a průvodičem bodu P

Pro poloměr v libovolném bodě P platí

Souměrný lemniskátový oblouk

Vznikne použitím dvou stejných částí lemniskáty (obr. 7.14). Čárkovaná část lemniskátového oblouku je zrcadlovým obrazem jeho plné části.

U souměrného oblouku vyplyne z trojúhelníku ZSV ze sinové věty rovnice

Vzdálenost středu oblouku S od vrcholu tečnového polygonu V

Nesouměrný lemniskátový oblouk

Pro vytvoření nesouměrného oblouku v trase úpravy lze použít určitou část lemniskáty od jejího počátku po určitý bod lemniskáty K_s´, daný délkou počáteční tečny t_z a vrcholovým úhlem tečnového polygonu a_s. Bod O je počátkem oblouku, bod S lemniskáty je koncovým bodem K_s´, průsečík tečny t_z a tečny v bodě lemniskáty S ºK_s´ je vrcholem tečnového polygonu (úhel těchto dvou tečen je a_s).

Délky tečen pro nesouměrný oblouk určíme z výrazů

5.3        Podélný profil upravovaného toku

Základní faktory ovlivňující užitky z okolních pozemků vodního toku jsou:

• Sklon hladiny vody v korytě
• Umístění hladiny vody po terénem
• Sklon dna

V případě dílčích zásahů do toku ovlivňují oba sousední úseky celý návrh takovou měrou, že je nutno jim podřídit nejen sklon a výškové umístění dna, ale i tvar a kapacitu příčného profilu. V těchto případech je nutno volit individuální přístup.

Výškové umístění budoucího dna koryta                       6d)

Niveleta musí být řešena vždy ve vzájemné souvislosti s ostatními částmi návrhu tj.:

• Velikost a tvar koryta,
• Trasa
• Pohyb splavenin
• Opevnění atd.

Řešení podélného profilu

Přípravná dokumentace - vynesení podélného řezu ze situačního plánu.

Projektová dokumentace - zaměření v terénu po vytýčení navržené trasy.

Pro oba případy připravit tabulku psaného podélného profilu následovně:

• ve směru staničení zaznamenáváme ve zvoleném počtu charakteristických bodů nadmořské výšky terénu spolu s jejich staničením, počet bodů závisí na členitosti terénu
• zaznamenáváme důležité terénní zlomy - paty břehů původního koryta, břehové čáry, hrany a koruny hrází a objektů
• zaznamenáváme všechny dosavadní i projektované objekty na trase s potřebnými výškovými kótami - jezy, stupně, mosty, odběry, zaústění, křížení s různými vedeními, horizonty podzemních vod, geologické a pedologické sondy.

Hlavní zásady při výškovém umístění dna:

a)      Při Q₁₈₀ - optimální hladina podzemní vody v přilehlém území. V extravilánu tato poloha závisí na :

• Fyzikálních vlastnostech zeminy
• Druhu vegetace
• Sklonu hladiny podzemní vody
• Tvaru říčního údolí

Doporučené hladiny podzemní vody:

• hlinitopísčité a jílovité půdy
• zemědělské pozemky 0,95m
• lužní les 1,2m
• hlinité půdy během plné vegetace
• zemědělské pozemky 1,45m
• lužní les 1,2m

b)      V intravilánu závisí výškové umístění dna na:

• úrovni spodních konstrukcí podlah suterénních místností
• poloze vrchní stavby komunikací
• hloubce studní
• kapacitě mostních profilů
• hloubce založení jejich pilířů

c)      nesmí být nepříznivě dotčen provoz vodních děl a zařízení na toku, jako jsou:

• odběry vody
• průmyslové odpady
• zaústění drenáží a kanalizací

d)     na splavných tocích musí být zaručena potřebná plavební hloubka, popř. podjezdová výška

e)      musíme dbát na plynulé výškové napojení úpravy k sousedním úsekům. Vyhovuje-li režim hladin podzemní vody v pobřežních pozemcích a nejsou kladeny zvláštní požadavky na výškové umístění dna koryta upravovaného toku, volí se přibližně v úrovni dna původního. Nevyhneme-li se nepříznivému vlivu úpravy, řešíme je ekonomickým posouzením a návrhem příslušných opatření, ovlivníme-li negativně hladinu podzemní vody na zemědělských pozemcích, musíme navrhnout náhradní meliorace nebo dojde k zahloubení dna pod úroveň základů mostu je třeba počítat s výstavbou nového mostu.

f)       rozdělit upravovanou část toku na úseky s jednotným sklonem. Změny sklonu dna lze bez ohrožení stability provádět pouze v místech, kde je koryto vytvořeno v mimořádně odolném materiálu (skála, balvany, hrubé splaveniny) nebo tam kde je koryto lokálně mimořádně opevněno (v místech jezů, stupňů, zaústění přítoků). Rozdíl sklonu dna dvou sousedních úseků nesmí být příliš velký, protože lom v niveletě dna ovlivňuje splaveninový režim. Změna sklonu ovlivňuje i návrh příčného profilu tehdy, je-li sklon v dolním úseku větší než v horním, dochází ke vzdutí a při návrhu příčného profilu se k tomu musí přihlédnout.

Určení velikosti podélného sklonu dna upravovaného koryta toku                   6e)

Podélný sklon dna toku má rozhodující vliv na tečné napětí, jímž proudící voda působí na dno a boky koryta, tak na rychlost proudu, a tím i na stabilitu koryta.

Definitivní návrh podélného sklonu můžeme provést až po navrhnutí normálního příčného profilu koryta včetně opevnění a výpočtu průběhu hladin pro návrhové průtoky.

Stabilním stavem se rozumí takový stav, kdy výmoly ani nánosy nepřesahují očekávanou míru. Cílem je aby se trvale netvořily nánosy a aby dno nebylo trvale vymíláno. Dále je třeba přihlížet k podélnému sklonu celého toku i jeho údolní nivy a k tomu aby koryto provedlo návrhový průtok pro kapacitu koryta při minimálních pořizovacích nákladech.

Úprava se obvykle navrhuje tak, aby se dno nemuselo opevňovat. Výjimečně se opevňuje dno v zastavěných územích, v průmyslově a energeticky využívaných oblastech, v umělých kanálech a to zejména tam, kde jde o bezztrátový převod vody. Návrhový průtok pro opevněné dno je Q₂₀ až Q₁₀₀.

Návrhový průtok pro odolnost neopevněného dna se volí v rozmezí Q₁ až Q₅ tzn. o málo větší než korytotvorný průtok. Korytotvorný průtok – třídní znak malého intervalu průtoků, pro který součin četnosti výskytu v průměrném roce a jím vyvolaného průtoku splavenin dosahuje maximální hodnoty.

Nejlepším vodítkem při návrhu úpravy je blízký stabilizovaný úsek toku. Z něj by měly být všechny parametry koryta doslova kopírovány. Nemáme-li takový úsek k dispozici, nebo je nutno podélný profil měnit, prokazujeme odolnost dna výpočtem. Odolnost materiálu nového dna bude jiná – menší - než odolnost původního materiálu dna s krycí vrstvou (platí i pro narušení krycí vrstvy pojezdem těžkých mechanismů). Ta se může vytvořit až po delší době po průchodu kulminačních průtoků, někdy se nevytvoří vůbec, je-li omezen transport splavenin z horních úseků.

Výpočet velikosti podélného sklonu dna vychází z následujících požadavků:

• tečné napětí působící na dno t_d při návrhovém průtoku Q_d bylo v rovnováze s odporem koryta. U štěrkonosných toků do odporů koryta zahrnout i ztráty energie při transportu splavenin.
• nezanášecí rychlost v_n < průřezová rychlost v < nevymílací rychlost v_v

U nás je nejčastěji používaný výpočet podle Meyer-Petera s podmínkami:

• představa o tvaru koryta
• znalost nebo volba hydraulického poloměru příslušejícího dnu R_d
• znalost R nebo hloubky vody odpovídající návrhovému průtoku Q_d.

pak     

Odvození vztahu pro určení stabilního sklonu dna toku vychází z rovnice, která vyjadřuje rovnováhu mezi průměrnou hodnotou tečného napětí na dně, vyvolaného proudící vodou t_d na jedné straně a mezi součtem průměrného kritického napětí t a tečného napětí nutného pro udržení shora přicházejících splavenin v pohybu t_d^´´

                                   t_d=t+t_d^´´

t - vyjadřuje napětí překonávající povrchový odpor dna t_d´(odpor jednotlivých částic)

t_d^´´ - napětí překonávající tvarový odpor vyvolaný dnovými útvary.

Průměrná hodnota tečného napětí na dně t_d

Průměrná hodnota kritického napětí t

Člen vyjadřující vliv průtoku splavenin je určen výrazem

d_e - průměr efektivního zrna

k_s - součinitel drsnosti pro dno jako celek (zvrásněné dno)

k_r - součinitel drsnosti odpovídající zrnitosti dna (hladké dno)

q_s - hmotnostní průtok splavenin ponořených ve vodě na 1m šířky koryta

A,B - experimentálně stanovené součinitele

Pro nulový průtok splavenin , zrno d_e musí odolávat celému účinku proudící vody, pro  a z výše uvedených rovnic pro podmínku i = i_st platí vztah pro stabilní sklon

poměr k_s/k_r se pohybuje v rozmezí od 1(rovné dno) do 0,75 (nerovné dno se štěrkovými lavicemi). Meyer-Peter určil A = 0,047 doporučeno používat při běžných návrzích., odpovídá turbulentní oblasti. Pro přechodnou a laminární oblast je vhodné určit A ze Shieldsova diagramu.

V počátcích návrhu nemáme definitivní představu o tvaru a velikosti koryta. Orientačně zavádíme:

• rovné dno k_d=k_s
• hydraulicky široké dno R_d=h
• r_s = 2650 kg.m^-3
• r = 100 kg.m^-3
• A = 0,047

Pak                 

V litaratuře existuje řada dalších vzorců.

Vypočítaná hodnota stabilního sklonu má být pro navrhovatele spíše vodítkem než zcela neměnnou hodnotou. Vodní tok je živá, organická součást přírody a jakýmkoliv sebepřesnějším výpočtem se dopouštíme schematizace, která je do určité míry vytržena ze souvislostí.

Proto je vhodné vypočítanou hodnotu stabilního sklonu dna v upravované trati ověřit porovnáním se skutečným sklonem blízkého ustálenému úseku nejlépe téhož toku, který se delší dobu nezanáší ani neprohlubuje. Předpokladem je stejná geologická stavba území, stejná drsnost koryta a podobná průřezová rychlost. Pak ze srovnání Chézyho rovnice pro obě tratě vyplývá:

R_i = R₁i₁

protože R=S/O platí

i - podélný sklo

S - průtočná plocha

O - omočený obvod

hodnoty s indexem platí pro vzorové koryto.

Jestliže by při navrhované úpravě vyšel podélný sklon dna vyplývající z délky upravovaného úseku a z výškového rozdílu začátku a konce úpravy větší, než odpovídá vypočtenému stabilnímu sklonu, je nutno buď zmenšit namáhání koryta nebo zvýšit jeho odolnost. Zmenšení namáhání koryta je možné dosáhnout změnou tvaru příčného profilu-rozšířením, nebo zvýšením drsnosti koryta. Rozšiřování koryta není z mnoha důvodů nejvhodnější. (neekonomické, ekologicky nevhodné, zvětšený zábor pozemků.

Nejčastěji se snižuje podélný sklon buď prodloužením trasy nebo vložením spádových objektů. Hlavním účelem stupňů ve dně je dosažení požadovaného sklonu dna, u jezů požadované vzdutí hladiny. Spádové objekty malých výšek, které nevyvolávají ztrátu energie označujeme jako prahy. Stabilizují dno a jejich vliv na ztráty energie zahrnujeme do ztrát třením (zvýšení drsnosti). Min. výška stupně je 30 cm, max. až 4 m. Vzdálenost stupňů závisí na jejich výšce a velikosti původního a nového sklonu.

Průměrná vzdálenost stupňů (obr.7.26)

Dh - průměrná výška stupňů

i₁ - původní sklon

i₂ - nový sklon

Naopak zvolili-li jsme průměrnou vzdálenost, pak jejich průměrná výška bude

Oboje jsou hodnoty orientační, umisťování stupňů závisí na dalších okolnostech:

• umístění na trase
• geologie území
• sklon údolní nivy
• zaústění přítoků atd.

Není-li možné žádným z uvedených způsobů zmenšit sklon na požadovanou úroveň, stabilizujeme dno příčnými prahy nebo souvislým opevněním. Souvislému opevnění je lépe se co nejvíc vyhnout - problémy investiční i provozní.

Příčné prahy se provádějí ve formě nízkých stupňů nebo zcela zapuštěné do dna. Jde o opevnění dna, které vytváří místní erozní báze, mezi nimiž vznikají lokální výmoly. Prahy nesmí způsobit destrukci břehů ani sami sebe. (obr. 7.28)

U nížinných toků je nutno zajistit alespoň takový sklon aby v_a < v. Podélný sklon můžeme zvětšit:

• napřímením trasy toku - není časté
• prohrábkou ve vhodných úsecích, snížení(odstranění) spádových objektů - přináší změnu hladiny podz. vody
• zadržení splavenin - nákladné, změna v obhospodařování pozemků, nutné další úpravy toků, hrazení bystřin.

Nelze-li usazování splavenin zabránit - nutnost těžení nánosů. Nutno pamatovat na to již při projektu a navrhnou vhodný způsob přístupu toku, odhadnout kde se budou splaveniny ukládat.

5.4        Normální příčný profil upravovaného toku

Normální příčný profil - profil, který bereme za základ úpravy pro určitý úsek toku.         6b)

Příčný profil - je definován jako průsečnice koryta se svislou rovinou vedenou kolmo k jeho střednici. Při návrhu tvaru a velikosti příčného profilu je nutno přihlížet k:

• poměru nízkých a vysokých průtoků a jejich kolísání
• rovnoměrnému nebo nerovnoměrnému pohybu vody
• místním poměrům na toku
• biologickým, hygienickým, rybochovným, rekreačním a vzhledovým požadavkům
• stabilitě svahů a volbě opevnění
• způsobu provádění stavby, provozu a údržby upraveného koryta
• tvaru a velikosti koryta nad a pod úpravou

Rozdělení příčných profilů

• otevřený - přednostní použití
  • lichoběžníkový
  • obdélníkový
  • miskovitý
  • kombinovaný
  • jednoduchý
  • složený - dvojitý, trojitý
• uzavřený

Upravené koryto musí provést návrhový průtok bez rozlivu. Méně než Q₁₀₀ - úroveň hladiny průtoku Q_n klademe do úrovně břehové čáry. Q₁₀₀ - navrhujeme převýšení břehů o 30 až 60 cm nad vypočítanou úrovní hladiny.

5.5        Tvary normálního příčného profilu

Obdélníkový příčný profil

Tam, kde je nutno šetřit místem nebo kde to vyžadují zvláštní důvody. Je lépe se mu vyhnout. Provedení nákladné, obtížné, estetické nedostatky. Břehy jsou tvořeny opěrnými zdmi se strmým lícem - svislým nebo ve sklonu10 až 5:1. Dno je v příčném směru vodorovné, popř. skloněné do středu koryta. (obr. 7.31)

Lichoběžníkový profil

Nejčastěji používán. Mírnější sklon svahů je stabilnější a opevňování je levnější. Ploché svahy vyžadují zábor pozemků, provádí se v extravilánu, kde je dostatek prostoru.

Jednoduchý lichoběžníkový profil

Navrhuje se ve vzdutých tratích nad jezy, jinde jen v případě malého kolísaní vodních stavů během roku. Při Q₂₁₀ má být hloubka min. 0,4 m a rychlost 0,4 m.s^-1. Toto se obtížně dodržuje a tak se jednoduchý příčný profil navrhuje tam kde je průtok regulován (pod přehradami, u umělých přivaděčů, u odpadních kanálů). V extravilánu u úprav jejichž účelem je zejména stabilizace koryta. Koryto se úpravou nezkapacitňuje, okolní pozemky nevyžadují vysoký stupeň ochrany.

Sklon svahů se volí s ohledem na:

• charakteristiky materiálu svahu
• podzemní vodu vytékající do koryta
• umožnění přístupu k hladině
• druh opevnění svahu
• možnost nasazení mechanizace

Podle místních poměrů, požadovaného stupně ochrany a velikosti toku se volí buď celé zahloubené (menší toky, nižší Q_n, nemožnost postavení hrází, potřeba radikálního snížení hladiny podzemní vody) nebo s pobřežními hrázemi (na velkých tocích, při vysokých stupních ochrany okolních pozemků, udržení vysoko položené hladiny podzemní vody). (obr. 7.36)

Dvojitý lichoběžníkový profil

Volí se:

a)      při velkém kolísání průtoků během roku

b)      je-li potřeba aby z důvodů zemědělských byl rozdíl mezi hladinou Q₁₈₀ a Q_a co nejmenší, hladina podzemních vod nemá vystoupit příliš vysoko a zároveň hladina nízkých průtoků se nesmí úpravou příliš snížit.

Zahloubená část složeného profilu je tzv. kyneta. Umisťuje se do středu koryta nebo se navrhuje jako stěhovavá. Pak se půdorysné zakřivení kynety volí větší než zakřivení celého koryta. V obloucích se kyneta přimyká ke konkávnímu břehu.

Návrh sklonu břehů se řídí stejnými kriterii jako u jednoduchého lichoběžníkového profilu.

Podobně jako jednoduchý profil může být zcela nebo částečně zapuštěn do terénu. (obr. 7.44)

Uzavřené profily

Jen tam kde je to nezbytně nutné - sídliště, průmyslová oblast, terénní překážka. Musí provést Q₁₀₀ při volné hladině. Min. prostor nad touto hladinou musí být 0,5 m. Tvar a rozměry se navrhují s ohledem na povahu a mocnost nadloží. Nejčastější tvary jsou - kruhový, obdélníkový, podkovovitý. Úsek s uzavřeným profilem musí být zpřístupněn např. šachticemi s min vzdáleností 100 m. Měl by být min. průlezný, lépe průchodný.

Miskovitý profil

Přibližuje se přirozenému tvaru neupraveného koryta, je vhodný z hlediska mechanizace a opevňovacích prací. Zvedání boků dna přispívá k vhodnému vedení proudnice. (obr.7.38)

Lavičky

Pro svahy delší než 9 m nebo se sklonem strmějším než 1:2 a výškou svahu větší než 4 m. Zvyšují stabilitu svahu, přerušují odtok vody po svahu. Jejich šířka se přizpůsobuje používané mechanizaci. Jsou mírně skloněné do koryta užší 1:10, širší 1:20.

5.6        Výpočet rozměrů normálního příčného profilu

V běžných praktických úlohách zavádíme předpoklad ustáleného pohybu.. Charakteristiky proudu se nemění s časem, ale jsou proměnné v prostoru. Koryta vodních toků jsou po délce i šířce i s hloubkou proměnná tak, že je nutno vycházet s podmínek ustáleného nerovnoměrného pohybu (du/dt=0, ale du/dl¹0). Pro většinu úloh používáme obecnou metodu řešení po úsecích. Nevýhodu její pracnosti odstraňujeme výpočetní technikou.

V návrhu úpravy musí být řešen průběh hladin:

a)      návrhového průtoku pro kapacitu koryta Q_n k určení úrovně břehových čar,

b)      stoletého průtoku Q₁₀₀ pro návrh korun hrází a pro určení záplavové čáry,

c)      nízkých průtoků důležitých z hlediska hygienického, plavebního (Q₃₅₅), agronomického (Q₁₈₀) apod.,

d)     průtoků důležitých z hlediska výstavby,

e)      průtoků důležitých pro ekonomické porovnání,

f)       ostatních průtoků důležitých pro návrh, např. Q₉₀ pro návrh opevnění svahů travním porostem.

Při návrhu neznáme ani šířku ve dně ani hloubku. Známe často návrhový průtok Q_n, podélný sklon i, sklon svahů, drsnost koryta. Je možno postupovat následovně:

• pro několik zvolených návrhových šířek dna b₁ určíme vztahy Q = f(h),
• pro několik zvolených návrhových hloubek h₁ určíme vztahy Q = f(b),
• pro návrhový průtok Q_n určíme z předchozích vztahů vztah h₁ = f(b₁) (obr. 7.50),
• z rozsahu volených šířek b₁ je vzhledem k místním podmínkám na toku jen určitý menší rozsah šířek b₁ v daném případě přijatelný, podobně to platí pro přijatelný rozsah hloubek h₁,
• ₁a šířek b₁ vymezuje možné rozpětí rozměrů koryta.

Podobně je možno sestrojit závislosti hloubek a rychlostí při průtoku Q₂₁₀, rozměry koryta z hlediska úrovně hladiny průtoku Q₁₈₀, které rozhodují o vhodném umístění těchto hladin nade dnem, popř. pod úrovní terénu. Tyto další podmínky dále zužují možný rozsah rozměrů koryta a postup vede k optimalizaci návrhových parametrů.

Drsnost otevřených koryt se může s časem měnit. Proto se mají uvádět pro vegetačně opevněná koryta dvě konzumční křivky - jedna pro vegetační období a druhá pro mimovegetační období. Obdobně dvě konzumční křivky pro koryto před a po údržbě. Kapacitu koryta ovlivňuje i zimní režim. Vždy je nutno si uvědomit, že se nemění jen drsnost, ale může se měnit i průtočná plocha.

Odpory otevřených koryt viz přednášky na začátku semestru.

Vliv zvětšování hloubky a sklonu koryta a zvětšování průměru zrna (vyjádřené usazovací rychlostí w) na velikost odporů při různých typech dnových útvarů.