Hydraulický výpočet návrhu
Způsob hydraulického návrhu Parshallova žlabu
Postup hydraulického výpočtu:
Při návrhu je optimální postupovat tak, že se nejdříve vypočítají poměry na odtoku a na přítoku Parshallova žlabu a z obou výsledků se odvodí optimální šířka hrdla a jeho výškové umístění.
Výpočtové schéma:
- Výpočet (odhad) rozsahu průtoků
Základním vstupním údajem pro návrh měření je znalost rozsahu průtoků. Rozsah průtoků na oddílné kanalizaci se vypočítává ze směrných hodnot produkce vod pro jednotlivé zdroje a maximální průtok se určuje podle typu provozu, použité technologie, typu čerpadel a u městské kanalizace podle součinitele nerovnoměrností (funkcí EO).
U Jednotné kanalizace se vypočítává hodnota maximálního průtoku splaškového a hodnota maximálního průtoku dešťového (různé výpočtové metody dle tvaru povodí kanalizace). Výpočet minimálního průtoku není žádným normativem předepisován a výpočet je prováděn dle empirických vzorců, nebo je určován na základě odborného odhadu. Při odborném odhadu se zvažují zdroje, způsob jejich provozování, migrace obyvatel (za prací a pod), stáří obyvatel lokality, sociální a ekonomickou úroveň lokality, oblast výstavby, kvalita provedení kanalizace, zaústění drenážních vod nebo vod ostatních atd. - Posouzení kvality vody
koncentrace a velikost nerozpuštěných látek (největší rozměr nerozpuštěných látek musí být menší než 0,8 násobek šířky hrdla), chemické složení (zda se ještě jedná o vodu - Newtonskou kapalinu), zda nedochází k vytváření pěny na hladině a závěr, zda je možno použít Parshallův žlab. - Posouzení kvality kanalizace
(zda se nevytváří sedla s usazováním NL, která jsou sunuta kanalizací při větších průtocích a mohou ucpávat hrdlo měrného žlabu). - Výpočet dolní hladiny za žlabem Hd pro tři průtoky Qmin, Qprům, Qmax
(resp. pro jednotnou kanalizace Qmin, Qmax splaškové, Qmax dešťové). Při zpětném vzdutí od recipientu do kanalizace je nutno brát v úvahu tuto nejnepříznivější variantu a proto se provádí výpočet průběhu hladiny ve stoce např. dle Čarnomského (pro ustálené nerovnoměrné proudění). - Pro koeficient zatopení 0,6 (resp. 0,7 - dle velikosti měrného žlabu) vypočítáme hladinu Hh před Parshallovým žlabem Hh = Hd/0,6.
- Pro průtok a Hh určíme z konzumčních křivek Parshallových žlabů nejvhodnější velikost (volíme velikost žlabu tak, aby hloubka z konzumční křivky Pars. žlabu byla větší než vypočtená hloubka Hh). Optimální návrh se pozná podle toho, že koeficient zatopení se příliš nemění (změna o max 0,2).
- Vypočítáme druhou vzájemnou hloubku Hv2 v korytě před Parshallovým žlabem (při říčním proudění se přímo vypočítává druhá vzájemná hloubka Hv2, při bystřinném je vypočítána první Hv1 a druhou vzájemnou hloubku Hv2 je nutno dopočítat).
- Posoudíme, zda je hloubka před Parshallovým žlabem Hh bezpečně nad úrovní druhé vzájemné hloubky Hv2.
- Pokud tomu tak není, volíme při říčním proudění Parshallův žlab s užším hrdlem a nebo žlab nasedláme nad úroveň dna na přítoku. Postup výpočtu opakujeme od bodu 4.
-
Při bystřinném proudění nastávají dva případy. Případ, kdy hloubka před Parshallovým žlabem Hh je bezpečně nad úrovní druhé vzájemné hloubky Hv2 a případ, kdy tato hloubka Hh je níže než je úroveň hladiny druhé vzáj. hl Hv2
- Úroveň hladiny před žlabem je nad úrovní druhé vzájemné hloubky: Pak se vypočítává vzdálenost před Parshallovým žlabem, kde dochází k vytvoření vodního skoku a přechodu na bystřinné proudění (viz kap. Poměry na přítoku). Posuzuje se, zda tato vzdálenost je z hlediska uklidnění vlnění dostatečná (viz kap. Uklidňovací délka). Pokud není, pak je nutno znovu použít žlab s užším hrdlem, a nebo nasedlat měrný žlab nad úroveň dna přítokového potrubí. Po této úpravě se výpočet opakuje od bodu 6.
- Úroveň hladiny před žlabem je pod úrovní druhé vzájemné hloubky: Pak se volí měrný žlab s užším hrdlem, a nebo se nasedlává nad úroveň dna přítokové kanalizace. Po této úpravě s vypočítává vzdálenost před Parshallovým žlabem, kde dochází k vytvoření vodního skoku a přechodu na bystřinné proudění (viz kap. poměry na přítoku). Posuzuje se, zda tato vzdálenost je dostatečná z hlediska uklidnění vlnění (viz kap. Uklidňovací délka). Pokud není, pak je nutno znovu použít žlab s užším hrdlem, a nebo nasedlat měrný žlab nad úroveň dna přítokového. Po této úpravě se výpočet opakuje od bodu 6.
- Pro oba režimy proudění (bystřinné, říční) se vypočítává dosah vzdutí před měrným žlabem. Posuzuje se zda nedojde k ovlivnění funkce hydraulických zařízení před Parshallovým žlabem (přelivná hrana nádrže, přípojky, oddělovač, vybřežení vzhledem k úrovni břehů koryta, úroveň i sklepních kanalizačních vpustí apod.).
- Na závěr je nutno posoudit, zda nedochází k sedimentaci NL v měrném profilu a zda sedimenty v úseku vzdutí před žlabem neovlivní negativně funkci kanalizace.
Orientační schéma výpočtu:
- Odtokové poměry
- Bystřinné proudění na odtoku Fr větší 1 ...nejbezpečnější a doporučovaná varianta návrhu odtokového potrubí (koryta) za Parshallovým žlabem. Při tomto návrhu koryto navazuje na dno výtoku z Parshallova žlabu (pozor dno na konci měrného žlabu je níže, než dno na přítoku). Odtokové poměry mohou být dotčeny pouze zvýšenou hladinou v recipientu. Obvykle se měření navrhuje tak, aby k zatopení měrného žlabu spodní vodou nedocházelo častěji, než jedenkrát za pět let (návrh na pětiletou vodu). Pokud je vzdutí od recipientu častější, pak je nutno počítat polohu hladiny za Parshallovým žlabem pomocí výpočtu tvaru hladiny při nerovnoměrném proudění (např. metoda po úsecích nazývaná metodou Černomského). Při bystřinném proudění na odtoku v celém rozsahu měření je možno pro měření použít zkrácenou variantu Parshallova žlabu Montana ovšem pouze za předpokladu, že žlab lze nasedlat tak, aby dno měrného žlabu na konci hrdla navazovalo na dno odtokového koryta (za žlabem může být i spadiště). Toto řešení je vykresleno ve vzorovém obrázku P2MsachtU.dwg.
- Říční proudění na odtoku Fr menší než 1 ...při tomto režimu je nutno pro různé průtoky spočítat úroveň hladiny za Parshallovým žlabem a posoudit, zda nedošlo k překročení koeficientu zatopení (poměr mezi hloubkou vody za Parshallovým žlabem a před žlabem, přičemž nulová úroveň hloubky je v niveletě úrovně dna Parshallova žlabu na začátku hrdla). Pro Parshallovy žlaby P1 až P4 je maximální koeficient zatopení roven 0,6, pro měrné žlaby větší je koeficeint zatopení 0,7 (viz tabulka Parshallových žlabů). Při rovnoměrném proudění se počítá úroveň hladiny dle Chezyho rovnice a v případě nerovnoměrného proudění, tj. při dosahu vzdutí od recipientu až k Parsahllovu žlabu, se úroveň hladiny počítá např. pomocí metody Čarnomského (po úsecích) a to od recipientu proti vodě. Délka úseku se volí v rozmezí 5 m až 10 m, přičemž při překonávání stupňů ve dně, rozšíření, zúžení, či změně tvaru koryta se délka úseku zkracuje tak, aby se co nejlépe zachytily jednotlivé ztráty.
Pozn.: velmi častou chybou při výpočtu bývá opomenutí místní ztráty při přechodu z obdélníkového profilu (nízká průřezová rychlost) na profil kruhový (vzorové projekty tuto skutečnost zohledňují a proto je úroveň dna potrubí snížena oproti úrovni dna na odtoku z Parshallova žlabu. Pokud za Parshallovým žlabem pokračuje obdélníkové koryto dále, pak není nutno navrhovat toto snížení a koryto navazuje plynule na konec Parshallova žlabu).
-
Poměry na přítoku - před Parshallovým žlabem musí být pro celý rozsah průtoků říční proudění. Nejjednodušší a nejbezpečnější návrh se provede tak, že průměr, sklon a materiál stoky volíme tak, aby Froudovo číslo bylo menší pro všechny průtoky než hodnota 0,7 (Froudovo číslo se vypočte jako druhá mocnina průřezové rychlosti dělená gravitačním zrychlením g a střední hloubkou vody h Fr= v2/(g*h) ). Vestavba Parshallova žlabu do stoky dále zklidní proudění před žlabem a návrh je na straně bezpečnosti. Pokud je v samotné stoce bystřinné proudění, pak je nutno nasedlat dno Parshallova žlabu nebo zúžit hrdlo tak, aby platilo, že pro všechny průtoky je úroveň hladiny před Parshallovým žlabem (dáno jeho konzumční křivkou) pro všechny průtoky vyšší než je druhá vzájemná hloubka vodního skoku v daném korytě. Metodou např. Čarnomského se dopočítává průběh hladiny před Parshallovým žlabem tak daleko, až se hladina bude blížit druhé vzájemné hloubce vodního skoku. V tomto místě pak vzniká vodní skok. Místo vodního skoku musí být dostatečně daleko před Parshallovým žlabem, aby vlnění, které při tomto jevu vzniká bylo dostatečně utlumeno. Způsob výpočtu minimálních vzdáleností je uveden na stránce Uklidňovací délka.
Dosah vzdutí před Parshallovým žlabem se posuzuje především u čistíren odpadních vod, při zhoršených spádových podmínkách, při výskytu odlehčovacích komor apod. V těchto případech se vždy návrh měření provádí tak, aby nedocházelo k ovlivnění funkce zařízení, která se nacházejí před Parshallovým žlabem.
Před žlabem dochází k výraznému snížení přítokové rychlosti, a proto je nezbytné úsek před žlabem posoudit i z hlediska dostatečných unášecích rychlostí. U měrných žlabů P1 až P3 jsou tyto rychlosti obvykle nízké a k sedimentaci dochází. Přesnost měření však není ovlivněna, pokud sedimenty nedosáhnou až do místa, kde vzniká kritická hloubka (tj. v těsné blízkosti před hrdlem). V tomto místě jsou však již dostatečné unášecí rychlosti, a proto sedimentace v tomto místě je vyjímečná.