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Die sich ändernden klimatischen Bedingungen erfordern eine sichere hydraulische Funktion von Hochwasserentlastungsanlagen in Beschneiungsspeichern. Der Artikel beleuchtet die komplexen Strömungsverhältnisse in Fallschächten und die Auswirkungen von Blenden und Einlaufrechen auf die Förderfähigkeit. Durch hydraulische Modellversuche wurden die Strömungsverhältnisse in Fallschächten mit verschiedenen Rohrdurchmessern und Blendenkonfigurationen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Blende eine entscheidende Rolle bei der Sicherstellung eines durchgehenden Freispiegelabflusses und der Belüftung des Ablaufrohrs spielt. Die Förderfähigkeit der Anlagenteile Fallschacht und Rohreinlauf wurde unter Variation der Rohrdurchmesser und der Blendenöffnung ermittelt. Die Messungen der Luftgeschwindigkeit im Belüftungsrohr und die Berechnung der Ausflussbeiwerte liefern wertvolle Daten für die Optimierung der Hochwasserentlastungsanlagen. Die detaillierten Analysen und Messergebnisse bieten wertvolle Einblicke für die Planung und den Betrieb von Hochwasserentlastungsanlagen und tragen zur Sicherstellung der Standsicherheit von Beschneiungsspeichern bei.
KI-Generiert
Diese Zusammenfassung des Fachinhalts wurde mit Hilfe von KI generiert.
Zusammenfassung
Im Wasserbaulaboratorium der Technischen Universität Wien wurden hydraulische Modellversuche zu einem typischen Einlaufbauwerk einer Hochwasserentlastungsanlage von Beschneiungsspeichern durchgeführt. Dabei wurden die Förderfähigkeit des gedrosselten Rohreinlaufes, die Ausflussbeiwerte und der Luftbedarf ermittelt.
Der Verlag bleibt in Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutsadressen neutral.
1 Einleitung
Um den Skibetrieb in den Gebirgsregionen auch in Zukunft sicherzustellen, werden vermehrt Beschneiungsspeicher mit mehreren 100.000 m3 Nutzinhalt errichtet. Durch die sich ändernden klimatischen Bedingungen kommt es häufiger zu Starkregenereignissen. Zur Beherrschung der davon ausgehenden Gefahren für die Standsicherheit der Speicherbauwerke, wird die sichere hydraulische Funktion der Hochwasserentlastungsanlagen dieser Stauanlagen immer bedeutsamer. Dabei hat die maximale Förderfähigkeit dieser Anlagen eine zentrale sicherheitstechnische Relevanz.
Häufig ausgeführte Einlaufbauwerke solcher Hochwasserentlastungsanlagen bestehen aus einem rechteckigen Fallschacht, der mit einem schrägen Rechen abgedeckt ist. Mit einer meist steil geneigten anschließenden Ablaufrohrleitung wird das Wasser als Freispiegel-Gemischabfluss einem Energieumwandlungsbauwerk zur Einleitung in den Vorfluter zugeleitet.
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Im Fallschacht kommt es bei Eindringen des Wasserstrahls in den Wasserpolster zu komplexen Strömungsverhältnissen mit hoher Turbulenz und Lufteintrag, welche eine einwandfreie Ermittlung der hydraulischen Förderfähigkeit des Rohreinlaufs auf Grundlage von Literaturangaben nicht ermöglichen. Zudem wird zur Sicherung eines durchgehenden Freispiegelabflusses im Ablaufrohr vorteilhafterweise eine Blende angeordnet, um einerseits eindeutige hydraulische Verhältnisse entlang des Ablaufrohrs und andererseits die Belüftung des Abflusses mithilfe einer Vertikalbelüftung zu ermöglichen. Die sich durch die Blende ergebende Querschnittsreduktion des Rohreinlaufs bedingt natürlicherweise eine Reduktion der Förderfähigkeit. Dies kann bei Abfuhr höherer Abflüsse (z. B. Bemessungs- oder Sicherheitshochwasser) zu einem unerwünschten Rückstau im Speicherbecken mit unzulässigen Stauwasserspiegeln führen.
Mit hydraulischen Modellversuchen wurde für ein typisches Einlaufbauwerk einer Hochwasserentlastungsanlage die Förderfähigkeit der Anlagenteile Fallschacht und Rohreinlauf unter Variation der Rohrdurchmesser mit einer und ohne eine Blende ermittelt. Die Strömungsverhältnisse wurden visuell beurteilt, vor allem mit Augenmerk auf die Wirkung der Blende auf die Belüftung des Rohr-Abflusses (Abb. 1). Weiters wurden Messungen der Luftgeschwindigkeit im Belüftungsrohr durchgeführt, das sich unmittelbar nach dem Rohreinlauf an der Firste des Ablaufrohres befindet. Im Rahmen der Versuche wurden 3 verschiedene Rohrdurchmesser getestet.
Abb. 1
Übersicht der Hochwasserentlastungsanlage, Modellstand. a Längsschnitt (Darstellung für Ablaufrohr DN 144), b Draufsicht (Darstellung für Ablaufrohr DN 144)
Das untersuchte Einlaufbauwerk der Hochwasserentlastungsanlage besteht aus einem 2 m hohen, im Grundriss rechteckigen Fallschacht mit einer sohleben angeschlossenen Ablauf-Rohrleitung mit einem Gefälle von 5 % (Abb. 1). Die 3 untersuchten Rohre hatten Durchmesser von 400 mm, 500 mm und 600 mm. Am Rohreinlauf war im Firstbereich eine Blende situiert, mit der der Einlaufquerschnitt je nach Versuch komplett oder nur teilweise geöffnet wurde. Bei einigen Versuchen wurde auch die hydraulische Wirkung eines schrägen Einlaufrechens untersucht, dessen Rundstäbe einen Durchmesser von 20,8 mm und einen Achsabstand von 100 mm aufwiesen. Das Belüftungsrohr hatte einen Durchmesser von 75 mm. Weiters waren an den seitlichen Wandungen des Schachts seitliche Belüftungen mit einem Durchmesser von je 50 mm vorgesehen.
3 Modellstand
Das Modell wurde im Maßstab 1:4,17 angefertigt, der Versuchsstand ist Abb. 2 dargestellt. Die Rohrinnendurchmesser betrugen im Modell 144 mm, 122 mm und 94 mm. Die Wasserstände in der Zulaufrinne und im Fallschacht wurden mit einer Messharfe gemessen, von der ausgehend Schläuche an der Unterseite der Zulaufrinne bzw. seitlich der Rinne angebracht waren. Die Luftgeschwindigkeit in der vertikalen Belüftungsleitung wurde mit einem Messflügel gemessen, der einen Modell-Innendurchmesser von 1,75 cm aufweist.
Die Durchflüsse wurden mit der Froudeschen Analogie von der Natur ins Modell umgerechnet. Dabei muss das Verhältnis von zwei analogen Geschwindigkeiten sowohl in der Natur als auch im Modell gleich der Froude-Zahl (Fr) sein.
Geschwindigkeit in der Naturausführung bzw. im Modell in m/s
L, l
Länge in der Naturausführung bzw. im Modell in m
g
Erdbeschleunigung in m/s2
Fr
Froude-Zahl (ohne Einheit)
q
Durchfluss im Modell in m3/s
A
Durchströmter Querschnitt in m2
Aufgrund von Maßstabseffekten ist der Luftzufluss im Modell allenfalls gleich groß, im Regelfall aber etwas kleiner als in der Natur. Bei dem gewählten Maßstab von 1:4,17 ist davon auszugehen, dass die Messergebnisse vom Modellversuch mit ausreichender Genauigkeit auf die Naturausführung übertragen werden können.
4 Versuchsbedingungen
In den Versuchen wurden Durchflüsse von 0,07 bis maximal 0,85 m3/s eingestellt. Diese wurden schrittweise um 0,036–0,11 m3/s gesteigert. Der Wasserspiegel im Schacht erreichte eine maximale Höhe von 2,11 m.
Für alle Rohrdurchmesser wurden die Versuche sowohl mit als auch ohne Querschnittsreduktion am Einlauf des Ablaufrohrs durchgeführt. Die Höhenreduktion am Eintrittsquerschnitt zum Ablaufrohr betrug 75 % des Innendurchmessers des jeweiligen Rohrdurchmessers. Die untersuchten Querschnittsflächen sind in Abb. 3 zusammengestellt.
Eine typische Abflusssituation der Wirkung ohne/mit Blende bei sonst gleichen Versuchsbedingungen zeigen die Abb. 5 und 6. Eine Reduktion des Rohrquerschnitts auf 75 % der Öffnungshöhe hält die Rohrfirste im Bereich des Belüftungsrohrs frei und sichert eine einwandfreie Belüftung des Ablaufrohrs. Aus dieser Querschnittsreduktion resultiert eine geringere Förderfähigkeit. Bei gleichen Durchflüssen zeigte sich daher in den Versuchen ohne Querschnittsreduktion ein geringerer Wasserstand im Fallschacht als bei Einsatz der Blende.
Abb. 7 zeigt die gemessene Förderfähigkeit des Schacht-Rohreinlaufs bei vollständiger Öffnung der Blende und ist auf Grundlage der Messergebnisse sowohl mit als auch ohne Rechen gültig.
Abb. 7
Förderfähigkeit Rohreinlauf mit 100 % Öffnungshöhe
Abb. 8 gibt die Förderfähigkeit des Schacht-Rohreinlaufs für die untersuchte Querschnittsreduktion wieder. Die Förderfähigkeit ist wie oben beschrieben sowohl mit als auch ohne Rechen weitgehend ident. Der Rechen beeinflusst die Wasserstände im Fallschacht nicht, da das Wasser trotz der geringfügigen Einschnürung durch den Rechen ungehindert in den Fallschacht strömen kann.
Abb. 8
Förderfähigkeit Rohreinlauf mit Querschnittsreduktion auf 75 % Öffnungshöhe
Der Ausflussbeiwert µ wurde aus den Versuchsergebnissen mit der Torricelli-Formel unter Verwendung der geometrischen Definitionen gem. Abb. 7 bzw. 8 berechnet und schwankt im Bereich zwischen 0,32–0,96. Bei geringen Durchflüssen ergibt sich noch ein freier Abfluss, weshalb hier die Torricelli-Formel noch keine Gültigkeit besitzt. Daraus resultieren auch die vergleichsweise geringen μ‑Beiwerte (siehe Abb. 9).
Wie in Abb. 9 ersichtlich resultiert bei einem Rohrdurchmesser von DN 600 beim kleinsten Durchfluss ein sehr hoher Ausflussbeiwert μ, da zusätzlich zum freien Abfluss ein sehr geringer Wasserstand von 2 cm bezogen auf die Rohrachse vorliegt.
Die Abb. 9, 10 und 11 zeigen, dass die μ‑Werte einen Peak haben, da sich an diesen Stellen ein Knick in der Förderfähigkeit befindet. Nach diesem Knick sinken die μ‑Werte wieder, da nach der Torricelli-Formel ein höherer Wasserspiegel zu kleineren μ‑Werten führt.
Der Luftbedarf bei DN 600 und 75 % Öffnungshöhe ist ohne Rechen größer als mit Rechen, da das Belüftungsrohr beim Versuch mit Rechen infolge der turbulenten Strömung immer wieder zugeschlagen ist, und dadurch weniger Luft durchströmen konnte. Dieses Verhalten ergab sich bei 100 % Öffnungshöhe nicht (siehe Abb. 12).
Die Abb. 13 und 14 zeigen, dass der Luftbedarf bei den höchsten gemessenen Durchflüssen, unter der Bedingung vollständig geöffneter Blenden, eine Abnahme aufweist. Diese Reduktion des Luftbedarfs resultiert aus der durch den intensiven Wasserdurchfluss verursachten turbulenten Strömung, die zeitweise das Belüftungsrohr zuschlägt und somit die Nachströmung von Luft behindert. Im Vergleich zu den etwas geringeren Durchflüssen, bei denen dieser Effekt weniger ausgeprägt ist, konnte daher eine reduzierte Luftzufuhr beobachtet werden.
In Tab. 2 sind die berechneten β‑Werte für jeden Rohrdurchmesser und jede Öffnungshöhe dargestellt.
Tab. 2
Luftbedarf für alle Rohrdurchmesser
DN 600
DN 500
DN 400
100 % ÖH
75 % ÖH
100 % ÖH
75 % ÖH
100 % ÖH
75 % ÖH
Mit Rechen
Mit Rechen
Q
β
β
Q
β
β
Q
β
Q
β
Q
β
Q
β
[m3/s]
[–]
[–]
[m3/s]
[–]
[–]
[m3/s]
[–]
[m3/s]
[–]
[m3/s]
[–]
[m3/s]
[–]
0,11
0,000
0,000
0,11
0,023
0,000
0,11
0,000
0,11
0,008
0,07
0,048
0,07
0,064
0,21
0,028
0,024
0,21
0,046
0,044
0,21
0,041
0,21
0,053
0,14
0,074
0,14
0,069
0,32
0,056
0,039
0,32
0,041
0,042
0,32
0,110
0,32
0,102
0,21
0,126
0,21
0,138
0,43
0,086
0,062
0,43
0,067
0,073
0,43
0,090
0,43
0,116
0,28
0,106
0,28
0,156
0,53
0,083
0,063
0,53
0,082
0,075
0,53
0,109
0,46
0,121
0,36
0,122
0,36
0,114
0,64
0,070
0,065
0,64
0,112
0,071
0,57
0,147
0,50
0,142
0,43
0,292
0,39
0,340
0,75
0,123
0,148
0,67
0,122
0,090
0,60
0,193
0,53
0,165
0,46
0,221
–
–
0,78
0,172
0,169
–
–
–
0,64
0,264
0,57
0,202
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
0,71
0,188
–
–
–
–
–
–
ÖH Öffnungshöhe
9 Zusammenfassung
Für eine übliche Ausführung eines rechteckigen Fallschachts dienten die durchgeführten hydraulischen Modellversuche dazu, die Förderfähigkeit des Rohreinlaufs ohne bzw. mit einer Querschnittsreduktion des Rohr-Einlaufquerschnitts zu bestimmen. Dabei wurden die gemessenen Wasserstände im Schacht herangezogen, um mit der Torricelli-Formel die Förderfähigkeit für drei unterschiedliche Rohrdurchmesser zu berechnen. Es zeigte sich weiters in vergleichenden Messserien, dass diese Förderfähigkeit mit und ohne Einlaufrechen weitgehend ident ist.
Weiters wurden die Ausflussbeiwerte bestimmt, die sich in einem für die vorgegebenen Bedingungen üblichen Bereich bewegen. Zudem wurde für das Belüftungsrohr der Luftzufluss zum Ablaufrohr ermittelt.
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