Abwasserhydraulik

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1. Grundgleichungen

Zusammenfassung

Strömungen von Fluiden lassen sich durch eine mathematische Darstellung beschreiben. Der Formalismus baut auf physikalischen Gesetzmässigkeiten, die wesentlich durch Newton im 17. Jahrhundert entwickelt wurden. Noch heute lässt sich die klassische Mechanik, d.h. also auch die Hydromechanik, auf die vier von Newton aufgestellten Axiome gründen.

Willi H. Hager

2. Strömungsverluste

Zusammenfassung

Bekanntlich laufen mechanische Prozesse immer mit begleitenden Dissipationsvor-gängen ab. Es ist demnach unmöglich, die mechanische Anfangsenergie über eine gewisse zeitliche Dauer oder örtliche Distanz ohne zusätzliche Energiespende aufrecht zu erhalten, sondern jede Bewegung wird durch physikalische Umwandlungsvorgänge in vor allem thermische Energie begleitet. Man spricht deshalb von Energieverlust, wobei man nur den Verlust bezüglich der ursprünglichen mechanischen Energie betrachtet.

Willi H. Hager

3. Bemessung Von Abwasserkanälen

Zusammenfassung

Der Bemessung von Abwasserkanälen ist zentrale Wichtigkeit zuzuordnen. Um das Bemessungsvorgehen übersichtlich zu gestalten, muss es einfach und nicht kleinlich ausgelegt sein. Es sind im Regelfall mindestens die Extremdurchflüsse in die Rechnung einzubeziehen.

Willi H. Hager

4. Abwasserpumpwerke — Drosselorgane

Zusammenfassung

Ein Pumpwerk kann oft die Wirtschaftlichkeit eines Entwässerungssystems verbessern, da es verstreut liegende Zuflüsse in eine zentrale Abwasserreinigungsanlage fördert Als Förderanlagen kommen sowohl Kreisel- als auch Schneckenpumpen in Betracht.

Willi H. Hager

5. Normalabfluss

Zusammenfassung

Im Gegensatz zum Abfluss in Druckrohren, bei denen der Fliessquerschnitt nur in Längsrichtung veränderlich ist, kann sich im Freispiegelkanal die Durchflussfläche sowohl mit der Abflusstiefe h als auch mit der Lagekoordinate x verändern. Entsprechend besitzen Strömungen in offenen Kanälen einen Freiheitsgrad mehr und machen im Gegensatz zu Rohrströmungen den besonderen Reiz von Freispiegelströmungen aus. Somit können im Druckrohr keine Oberflächenwellen im üblichen Sinn auftreten, und Phänomene wie Rückstau oder Absenkung existieren nicht.

Willi H. Hager

6. Kritischer Abfluss

Zusammenfassung

Neben dem Normalabfluss stellt der kritische Abfluss (engl.: critical flow; franz.: écoulement critique) einen zweiten ausgeprägten Zustand dar, mit dem ein Kanalabfluss beschrieben wird. Während der Normalabfluss ein fast “statisches Kriterium” bildet, bei dem die Reibungskräfte ins Gleichgewicht gesetzt werden zur treibenden Kraft, darf der kritische Zustand als ein “dynamisches Kriterium” betrachtet werden. Kritischer Abfluss herrscht nämlich dann, wenn die Fliessgeschwindigkeit genau der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Elementarwelle entspricht.

Willi H. Hager

7. Wassersprung und Tosbecken

Zusammenfassung

Hydraulische Strömungen verlaufen üblicherweise kontinuierlich, d.h. alle Parameter wie beispielsweise das Sohlengefälle, die Rauheit, die Wassertiefe oder der Durchfluss verändern sich stetig mit der Längs- und Querkoordinate. Erst dann nämlich dürfen die Gleichungen der Kontinuumsmechanik in differentieller Form erfolgreich angewendet werden, da die Elementbetrachtungen nach Euler oder Navier/Stokes auf dieser Voraussetzung basieren. Anders ausgedrückt lassen sich also alle am Bewegungsvorgang teilnehmenden Elemente durch kontinuierliche Funktionen darstellen, sie besitzen insbesondere an allen Stellen ihres Definitionsbereichs stetige Ableitungen.

Willi H. Hager

8. Stau- und Senkungskurven

Zusammenfassung

Unter Stau- und Senkungskurven (engl.: backwater curves; franz.: courbes de remous) versteht man idealisierte Wasserspiegelprofile, welche sich als Übergangskurven zwischen zwei oder mehreren Kanalabschnitten ergeben. Bild 8.1 zeigt einen langen Ober- und einen ebenso langen Unterwasserkanal. In beiden Kanälen stellt sich nach genügender Fliessdistanz Normalabfluss ein, falls die Bedingungen dazu nach Kap.5 erfüllt sind. Stau- und Senkungskurven sind ein einfaches Hilfsmittel, um die mittlere Strömung übersichtlich zu kennzeichnen, sie geben jedoch keinen Aufschluss über das Querprofil, die internen Strömungsverhältnisse und Ablösungszonen oder über die Geschwindigkeitsverteilung.

Willi H. Hager

9. Durchlässe — Drosselstrecken — Düker

Zusammenfassung

Während Kanalisationsleitungen grundsätzlich für Freispiegelbetrieb auszubilden sind, gibt es verschiedene Bauwerke, die sowohl unter Freispiegel als auch unter Druck funktionieren. Der Durchlass ist wohl das bekannteste davon, kann man ihn doch in Siedlungsgebieten überall bei Dammbauten finden. Weniger bekannt und heute auch nicht so oft benutzt ist die Drosselstrecke, durch die der Durchfluss einer Regenentlastung begrenzt wird. Düker schliesslich trifft man bei Unterquerung von Gewässern, Strassen, Eisenbahnen oder anderen Hindernissen an, falls die Überquerung aus platztechnischen, ästhetischen und finanziellen Gründen nicht ausgeführt werden kann.

Willi H. Hager

10. Überfälle

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Überfälle (engl.: weir; franz.: déversoir) sind Bauwerke, welche bis zur Überfallhöhe einen Rückstau erzeugen, bei weiterem Anstieg des Wassers aber einen hohen Durchfluss gewährleisten. Sie werden deshalb vornehmlich als Rückstaubauwerke eingesetzt, dienen daneben aber auch als Durchfluss-Messbauwerke.

Willi H. Hager

11. Endüberfälle

Zusammenfassung

Häufig ist man zwar in der Lage, den Durchfluss überschlägig zu ermitteln, scheut jedoch den Aufwand, einen Überfall standardmässig nach Kap. 10 einzubauen. Das Vorgehen wird noch umständlicher, falls es sich um ein geschlossenes Profil und um einen Abwasserkanal handelt. In solchen Fällen kann ein Endüberfall (engl.: end overfall; franz.: déversoir terminal) oder eine andere mobile Messeinrichtung (Kap. 13) zum Tragen kommen.

Willi H. Hager

12. Venturikanäle

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Unter einem Venturikanal (engl.: Venturi flume; franz.: canal Venturi) versteht man ein Mengenmessbauwerk, das eine lokale Querschnittsverengung aufweist. Geometrisch ist damit eine Vielzahl von Ausführungen möglich, die in der Folge besprochen werden.

Willi H. Hager

13. Mobile Durchflussmessung

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Da der Durchfluss in der Abwasserhydraulik der hydraulischen Bemessungsgrösse entspricht, ist seine Kenntnis unablässig. Einerseits werden also Prozesse über den Durchfluss gesteuert, andererseits hängt insbesondere auch die Entlastung von Abwasser im Mischsystem vom Durchfluss ab. Zudem gilt es, bei Sanierungen die Durchflusscharakteristik an einem Ort des Kanalisationsnetzes zu kennen. Eine Aufgabe, die wesentlich von der Durchflussmessung abhängt, ist das Aufsuchen von Fremdwasser in einem Kanalisationsnetz. In Zukunft wird aber auch die Güte der numerischen Simulation ganzer Kanalsysteme wesentlich von der Durchflussmessung an ausgewählten Orten abhängen.

Willi H. Hager

14. Schachtbauwerke

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Schächte (engl.: manhole; franz.: puits) bilden den Zugang zum Abwasserkanal. Sie dienen:

• • der Ausführung von Unterhalts- und Revisionsarbeiten,
• • der Sanierung von schadhaften Rohrstrecken,
• • dem Begehen von grösseren Kanalisationen,
• • der Anordnung von Sonderbauwerken,
• • der Be- und Entlüftung des Abflusses und
• • im Verstopfungsfall als Not-Überlauf.

Willi H. Hager

15. Fallschächte

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Bei Einzugsgebieten in steilen Gebieten kann eine Kanalisation auf grundsätzlich zwei Arten ausgelegt werden:

• • entweder mit einer Steilleitung, die der örtlichen Topographie folgt,
• • oder die Niveaudifferenz wird durch Vertikalschächte überwunden, der Zu- und Ablaufkanal bleibt dabei praktisch horizontal.

Willi H. Hager

16. Vereinigungsschächte

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Neben dem Kontrollschacht als reinem Durchgangsbauwerk und dem Absturzschacht zur Überwindung von Höhendifferenzen ist wohl der Vereinigungsschacht (engl.: junction manhole; franz.: puits à jonction) in der Praxis oft anzutreffen. Da ein Kanalisationsnetz weitverzweigt und das Abwasser möglichst einer zentralen Abwasserreinigungsanlage zuzuführen ist, trifft man häufig hunderte von Vereinigungen in einem System an. Solange das Wasser langsam fliesst, ist mit keinen Überraschungen dynamischer Art zu rechnen, es sei denn, unzulässiger Rückstau trete ein. Werden aber grössere Geschwindigkeiten massgebend, so ist insbesondere an hydraulisch schlecht ausgebildeten Vereinigungen mit dynamischen Strömungsproblemen zu rechnen. So können bei schiessendem Zufluss etwa die folgenden Phänomene auftreten:

• • starke Stosswellenentwicklung, ausgehend vom Vereinigungsschacht und sich ins Unterwasser durch Kreuzwellen als Störung fortpflanzend,
• • Zuschlagen des Unterwasserrohreinlaufs infolge zu hoher Stosswellen,
• • Unterbruch des Lufttransports im Unterwasser infolge Zuschlagens,
• • Zusammenbruch der schiessenden Strömung, verbunden mit Druckabfluss in einem oder mehreren Zuläufen, oder
• • Rückstauerscheinungen, insbesondere in Hausanschlüssen.

Willi H. Hager

17. Verteilkanal

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Unter einem Verteilkanal (engl.: distribution channel oder manifold; franz.: canal de distribution) versteht man ein Gerinne, das seitliche Abzweigkanäle aufweist. Solche Bauwerke, welche sowohl als Freispiegelkanäle wie auch als Druckrohre auftreten, spielen in der technischen Anwendung eine bedeutende Rolle, so etwa in der Belüftungstechnik, in der Kühlwasserrückführung, in der Hochofentechnik oder eben in der Abwassertechnik. Man kennt sie einerseits als Druckkanäle etwa bei der Abwasserrückgabe in Flüsse, bei der eine gute Durchmischung mit dem Flusswasser erzielt werden soll, oder andererseits als Freispiegelkanäle, etwa bei Beckenzuleitungen (Bild 17.1). Üblicherweise wird von Verteilkanälen verlangt, dass eine uniforme Verteilung längs des Kanals auftritt, ein Unterfangen, das nicht immer leicht zu befriedigen ist.

Willi H. Hager

18. Entlastungsbauwerk

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Nach Fahrner, et al. (1990) herrscht heute ein grosses Wirrwarr hinsichtlich der Ausführung von Entlastungsbauwerken in der Mischkanalisation. Neben dem scharfkantigen, breitkronigen und rundkronigen Wehr (Kap. 10) treten zusätzlich eine grosse Zahl von’ sonderformen’ auf, die eine nachträgliche Ermittlung der Entlastungsmenge praktisch verunmöglichen. Ferner fehlt heute in dieser Hinsicht auch jede Standardisierung, weshalb es schwierig ist, das Entlastungsverhalten von Kanalisationssystemen rechnerisch zu ermitteln. Dass dieser Missstand in Zukunft verbessert werden muss, liegt auf der Hand, denn nur so lässt sich der Wirkungsgrad und die Umweltverträglichkeit eines Mischsystems abschätzen.

Willi H. Hager

19. Sammelkanal

Zusammenfassung

Unter einem Sammelkanal (engl.: side channel; franz.: canal collecteur) versteht man ein Bauwerk, das seitlich zufliessendes Wasser sammelt und in Längsrichtung weiterleitet. Das einfachste Beispiel eines Sammelkanals ist wohl die Dachrinne. Jede Kanalisation ist ebenfalls ein Sammelsystem, nur spricht man hier nicht von einem Sammelkanal, da die seitliche Wasserzuführung punktuell erfolgt, während bei einem üblichen Sammelkanal diese örtlich verteilt ist. Um die Theorie des stetig veränderlichen Abflusses anwenden zu können, muss die seitliche Zuleitungslänge etwa eine Grössenordnung mehr haben als die mittlere Wassertiefe. Haben diese beiden Längen dieselbe Grössenordnung, spricht man von einer punktuellen seitlichen Zuführung, oder einer Stromvereinigung (Bild 19.1). Diese werden im Kap. 16 behandelt.

Willi H. Hager

20. Bodenöffnung

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In Mischwasserkanalisationen haben sich zwei Typen von Entlastungsanlagen eingebürgert. Für strömenden Abfluss wird das Streichwehr mit hoher Ueberfallkante eingesetzt mit einer unterwasserseitigen Drosselung des Schmutzwasserkanals (Kap. 18). Dieses Konzept kann bei schiessendem Abfluss jedoch nicht angewendet werden, da dann Wassersprünge im Ueberfallbereich auftreten würden, die sich je nach Durchfluss an verschiedenen Lagen einstellen.

Willi H. Hager

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