BARRAGENS - WEHRE

7/21/2019 BARRAGENS - WEHRE

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4 Wehre

Wehre sind wasserbauliche Stauanlagen. Daher soll zunchst dieser Begrifferklrt werden. Stauanlagen sind Wasserbauwerke, mit deren Hilfe Bche undFlsse aufgestaut werden. Man unterscheidet zwischen Talsperren und Fluss-sperren. Eine Talsperre riegelt den gesamten Talquerschnitt ab und der Fluss

oder Bach wird bis zu den Talflanken hin aufgestaut. Die Flusssperre dagegenerfasst nur den Bereich des Gewssers; parallel zum Fluss verlaufende knst-liche Stauhaltungsdmme begrenzen den Aufstau seitlich im Tal und dieTalflanken sind demnach nicht eingestaut (Abb. 4.1). Whrend Talsperren inder Regel ber ein groes Beckenvolumen verfgen und damit in der Lagesind, einen hohen Anteil des Abflusses ber einen langen Zeitraum zu spei-chern und nach Bedarf abzugeben, spielt bei Flusssperren die Wasserspeiche-rung eine eher untergeordnete Rolle. Nur bei Anlagen mit grerem Stauvolu-men kann durch Zwischenspeicherung der Abfluss zeitweise zurckgehalten

werden, um das Wasser in Zeiten hheren Strombedarfs z. B. in den Mor-gen- und Abendstunden durch die Turbinen zu leiten (Schwellbetrieb).

In diesem Kapitel wird ausschlielich auf Flusssperren und deren Regelungs-bauwerke, die Wehre, eingegangen. Talsperren (Staumauern und Staudmme)werden in Kapitel 5 Talsperren ausfhrlich behandelt.

Abb. 4.1 Unterscheidung zwischen Talsperre und Flusssperre

Stauhaltungsdmme

Flusssperre Staubecken

Talflanke

Talsperre

Talflanke


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Sonderformen von Stauanlagen sind Hochwasserrckhaltebecken zum Auf-fangen bzw. zur Dmpfung von Hochwasserabflssen, Pumpspeicherbeckenzur Speicherung von elektrischer Arbeit, Sedimentationsbecken zum Rckhaltabsetzbarer Schwebstoffe und Geschiebesperren zum Rckhalt von Geschie-befrachten.

Die wichtigste Talsperren-Norm ist DIN 19700 Stauanlagen (Juli 2004) mitden Teilen

Teil 10 Gemeinsame Festlegungen

Teil 11 Talsperren

Teil 12 Hochwasserrckhaltebecken

Teil 13 Staustufen Teil 14 Pumpspeicherbecken

Teil 15 Sedimentationsbecken

Weitere wichtige Normen im Wasserbau sind:

DIN 1054 Baugrund Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau

DIN 4048-1 Wasserbau Begriffe Stauanlagen

DIN 19702 Standsicherheit von Massivbauwerken im Wasserbau

DIN 19704-1 Stahlwasserbauten Teil 1: Berechnungsgrundlagen

DIN 19704-2 Stahlwasserbauten Teil 2: Bauliche Durchbildung undHerstellung

DIN 19702 Standsicherheit von Massivbauwerken im Wasserbau

DIN 19712 Flussdeiche

DIN 4084 Baugrund- und Gelndebruchberechnungen

DIN 18309 EinpressarbeitenZu beachten sind weiterhin die Verffentlichungen und Regelwerke der natio-nalen und internationalen Verbnde, z. B. der Deutschen Vereinigung frWasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (DWA) und des DeutschenNationalen Komitees fr Groe Talsperren (DNK), welches Deutschland imInternational Commission on Large Dams (ICOLD) vertritt. Hier sind fastalle im Talsperrenbau ttigen Lnder der Welt zusammengeschlossen.


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4.1 Flusssperren (Staustufen) 127

4.1 Flusssperren (Staustufen)

An einer Flusssperre wird der gewnschte Aufstau durch Wehrbauwerkebe-

wirkt. Es entsteht eine Staustufe, die einen Stausee erzeugt. Dient die Stau-stufe auch der Erzeugung elektrischer Energie, wird neben dem Wehr eineWasserkraftanlage errichtet. Als weitere Bauwerke kommen bei schiffbarenFlssen Schleusen hinzu. Wehr, Wasserkraftwerk und Schleusen bilden dasAbsperrbauwerk und zusammen mit den Stauhaltungsdmmen die Flusssperre(Abb. 4.2).

Abb. 4.2 Teile einer Flusssperre

4.1.1 Aufgaben von Flusssperren

Flusssperren erfllen im Wesentlichen folgende Aufgaben:

Aufstau nach Oberstrom fr Ausleitungen (Bewsserung,Trinkwasserversorgung, Energieerzeugung und Schifffahrt),

Erhhung der Fahrwassertiefe fr die Schifffahrt,

Sohlstabilisierung durch Verringerung des Energieliniengefllesund damit der Schleppkraft der Strmung (Schutz des Flussbettesvor Eintiefung),

Fluss

Staubecken

Stauhaltungsdamm

Wehrwange

Wehranlage

Trennpfeiler

Wasserkraftanlage

Schleuse

UnterwasserbereichStauhaltung


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128 4 Wehre

Anhebung des Grundwasserstandes,

Gewinnung von Fallhhe zur Erzeugung elektrischer Energie,

Vergleichmigung der Abflsse bei Schwellbetrieb.

Die meisten Flusssperren erfllen gleichzeitig mehrere dieser Aufgaben undsind daher sogenannte Mehrzweckanlagen.

Mgliche Auswirkungen eines Aufstaus

Da eine wasserbauliche Manahme weitreichende Auswirkungen auf dasFlusssystem hat, ist ein Gesamtkonzept fr den jeweiligen Flussausbau not-wendig. Hierbei sind insbesondere die nachfolgenden Einflsse zu bercksich-tigen:

Vernderung der Geschiebefracht, d. h. Rckhalt im Staubecken undEintiefungstendenzen im Unterwasser,

Sedimentation von Schwebstoffen vor dem Wehr,

Anhebung des Grundwasserspiegels im oberstromigen und Absenkenim unterstromigen Bereich,

nderung der Wasserqualitt wegen geringerer Fliegeschwindigkeit,

Auswirkungen auf die standorttypische Lebensgemeinschaft desGewssers.

Grundstzlich gilt, dass die Vernderungen im Flusslauf um so geringer aus-fallen, je niedriger der Aufstau ist. Wird die Fliegeschwindigkeit im Stau-raum von u = 0,3 m/s nicht unterschritten, geht man heute von einem ko-logisch vertretbaren Aufstau aus.

4.1.2 Klassifizierung von Staustufen

Abhngig von der Fallhhe bei Mittelwasserabfluss (MQ) wird eine Staustufein die Klassen I bis III eingeteilt (Tabelle 4.1). Unabhngig von der Fallhhewird Staustufen die Klasse I zugewiesen, wenn es sich um schiffbare Flssehandelt oder wenn eine Gefhrdung von Siedlungen im Falle eines Versagensder Staustufe besteht.

Entsprechend der Klassifizierung der Staustufen werden unterschiedliche Be-messungshochwasserzuflsse festgelegt, nach denen Staustufen zu bemessen

sind. In Tabelle 4.2 sind die jhrlichen berschreitungswahrscheinlichkeitenfr den Hochwasserbemessungsfall 1 (BHQ1) und den Hochwasserbemes-sungsfall 2 (BHQ2) angegeben. Diese Flle sind im Hinblick auf die Sicherheit


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einer Stauanlage bei Hochwasser zu unterscheiden (vgl. DIN 19700 Teil 10Stauanlagen Gemeinsame Festlegungen). Hierbei dient der

Hochwasserbemessungsfall 1 fr die Bemessung der Hochwasserentlas-

tungsanlage. Die Tragsicherheit, die Gebrauchstauglichkeit sowie die Dau-erhaftigkeit der Stauanlage sind bis zum BemessungshochwasserzuflussBHQ1ohne Einschrnkung sicherzustellen (n-1-Fall);

Hochwasserbemessungsfall 2dient dem Nachweis der Stauanlagensicher-heit bei Extremhochwasser. Der Bemessungshochwasserzufluss BHQ2istdeutlich grer als BHQ1, besitzt jedoch eine geringere Auftretenswahr-scheinlichkeit. Diesem Hochwasser muss die Stauanlage ohne globalesVersagen standhalten. Die Tragsicherheit des Absperrbauwerkes (Wehrund Stauhaltungsdmme) darf auch bei diesem Zufluss nicht gefhrdet sein.

Im Gegensatz zu BHQ1drfen hier jedoch gegebenenfalls neben der Hoch-wasserentlastungsanlage auch Notentlastungen bercksichtigt werden (z. B.Kraftwerksdurchfluss, Schiffsschleusen, n-Fall).

Tabelle 4.1 Klassifizierung von Staustufen (nach DIN 19700 Teil 13)

Klasse der Staustufe Fallhhe bei MQ

I > 5,00 m

II > 3,00 m bis 5,00 m

III 3,00 m

Tabelle 4.2 Jhrliche berschreitungswahrscheinlichkeiten fr BHQ1und BHQ2(nach DIN 19700 Teil 13)

Klasse der StaustufeJhrliche berschreitungswahrscheinlichkeit

BHQ1 BHQ2

I 10-2 (T = 100 a) 10-3 (T = 1.000 a)

II 2 .10-2 (T = 50 a) 10-2 (T = 100 a)

III 5 .10-2 (T = 20 a) 2 .10-2 (T = 50 a)


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130 4 Wehre

4.1.3 Gestaltung und hydraulische Durchbildung

Die Gestaltung einer Wehranlage richtet sich nach den rtlichen Gegeben-heiten (Topographie und Untergrund) und nach den Aufgaben, welche das

Wehr zu erfllen hat. Baubetriebliche Aspekte und Fragen der statischen unddynamischen Beanspruchung sind ebenfalls zu bercksichtigen. Bei schwie-rigen Anstrmungsverhltnissen empfiehlt sich eine numerische zweidimen-sionale (2d-) Berechnung zur Ermittlung der Leistungsfhigkeit bei Hoch-wasser. In Kombination mit der Optimierung der Energieumwandlung kannauch ein physikalischer Modellversuch wertvolle Hinweise fr die Konstruk-tion geben. Der Modellversuch ermglicht es, die Leistungsfhigkeit einzelnerWehrfelder bei unterschiedlichen Abflusssituationen zu ermitteln. Die Ergeb-nisse dieser Untersuchungen knnen Eingang in die Betriebsvorschriften fin-

den (siehe hierzu Kapitel 11 Hydraulische Modelle).

Gemeinsame Anforderungen an alle Wehrtypen

Wehre werden in drei Kategorien eingeteilt:

feste Wehre (Abschnitt 4.2),

bewegliche Wehre (Abschnitt 4.3),

kombinierte Wehre (Abschnitt 4.4).

Bei allen Bauformen drfen an den Massivbauteilen keine unzulssigen Ver-formungen und Rissbildungen auftreten. Setzungen drfen nur an vorgese-henen Fugen auftreten. Bei beweglichen Wehren knnte eine unzulssige Ver-formung den Einbau der Stahlverschlsse erschweren oder gar verhindern.Teure Ersatzkonstruktionen wren die Folge.

Die Wehrffnungen, Zwischenpfeiler und Trennpfeiler (zum Kraftwerk)sind strmungsgnstig auszubilden. Hierbei ist eine Behinderung der Str-mung durch die Verschlsse zu bercksichtigen. Bei Feststofftransport sindWehrkrone, Tosbeckeneinbauten und die Endschwelle gegebenenfalls durchabriebsfesten Beton oder durch Stahlpanzerung zu schtzen.

Umlufigkeit und Unterlufigkeit

Die Standsicherheit einer Wehranlage wird mageblich davon beeinflusst, obdie Staustufe dicht ist. Umlufigkeiten sind durch Dichtungsvorkehrungen anden Stauhaltungsdmmen zu reduzieren. Um Unterlufigkeit zu vermeidenund damit die Tragsicherheit zu erhhen, werden Wehranlagen wenn tech-nisch mglich und wirtschaftlich vertretbar an den dichten Untergrund ange-schlossen. Ist dieser zu weit entfernt, wird man einen Kompromiss whlenmssen zwischen Abdichtungswirkung und Wirtschaftlichkeit. Meist gengteine Abdichtung bis in eine Tiefe, die etwa der Stauhhe entspricht. Die Si-


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cherheit gegen hydraulischen Grundbruch am Ende des Tosbeckens und dieAuftriebssicherheit der Bauwerke muss gegeben sein.

Die Anschlsse der Massivbauwerke an die Dmme und Dichtungen sindsorgfltig zu planen und auszufhren, um Erosion und Suffosion zu ver-meiden.

4.1.4 Anordnung der Bauwerke im Fluss

Kraftwerk, Wehr und Schleuse werden in der Regel nebeneinander quer zurFlussachse angeordnet. Bei der Lage der einzelnen Bauwerke ist ihre jeweiligeZweckbestimmung zu bercksichtigen. Das Wehrbauwerk dient neben derRegulierung des Wasserstandes im Staubecken vornehmlich der Hochwasser-

abfuhr. Es ist daher zwingend notwendig, das Wehr so zu positionieren, dassdie Hochwasser mglichst ungestrt d. h. ohne grere Strmungsumlen-kung die geffneten Wehrfelder passieren knnen (Abb. 4.3). Dies hat zurFolge, dass die Wehranlage im Bereich der Hauptstrmung liegen soll. Ist derFluss breit genug, so ist auch eine seitliche Anordnung mglich; allerdingsliegt das Wehr auch dann im ursprnglichen Flussbett. Besteht eine Fluss-sperre aus Wehr und Kraftwerk, und ist die erforderliche Breite der Gesamt-anlage grer als der ursprngliche Fluss, so muss das Kraftwerk in einer neugeschaffenen Bucht untergebracht werden. Das Wehr verbleibt im Hauptstrom

(Buchtenkraftwerk). Bei sehr breiten Flssen kann ein Teil des Flussbettes mitHilfe einer knstlichen Insel abgesperrt werden (Abb. 4.4). Die Mglichkeitder Absehnung (Abb. 4.5) ist heute aus kologischen Grnden unerwnscht(Frage des Restwassers in der Ausleitungsstrecke).

Die Wehranlage stellt das Hauptbauwerk einer Flusssperre dar. Das Wehrstaut den Fluss auf und gibt den Fliequerschnitt bei Hochwasser wieder frei.Besteht das Sperrenbauwerk aus einem massiven Staukrper ohne beweglicheTeile, spricht man von einem festen Wehr. Wird der Aufstau berwiegend

durch bewegliche Verschlussorgane erzeugt, handelt es sich um ein beweg-liches Wehr. Eine Kombination aus einem festen Bauteil und beweglichenVerschlussteilen nennt man kombiniertes Wehr.

Ein Absturz ist eine Sonderform des Wehres. Bei diesem Bauwerk ragt dieWehrkrone nur geringfgig bis zu 15 % der Wassertiefe ber die Fluss-sohle. Abstrze erzeugen daher keinen Aufstau, sondern sttzen lediglich dieFlusssohle.


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132 4 Wehre

Abb. 4.3 Staustufe Jochenstein / Donau in sterreich. Links im Bild dasgeschlossene Wehr, daneben das Kraftwerk und eine Doppelschleuse

Abb. 4.4 Beispiele fr mgliche Anordnungen von Wehren an Staustufen

Staubecken

Kraft-

werk

knstlicheInsel

Beispiel:Iffezheim (Rhein)

Beispiel:Abswinden-Asten (Donau)

Staubecken

Wehr

Schleuse

WehrKraft-

werk

Schleuse


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4.2 Feste Wehre 133

Abb. 4.5 Mgliche Anordnung eines Wehres bei einer Absehnung

4.2 Feste Wehre

Feste Wehre sind die einfachste Mglichkeit, einen Fluss aufzustauen. Aller-dings erlauben sie keine Abflussregelung; der Wasserstand kann nicht vorge-geben werden sondern stellt sich einzig aufgrund des jeweiligen Abflusses ein.Feste Wehre werden vorwiegend als Sttzwehre zur Sohlstabilisierung und beiHochwasserentlastungsanlagen von Talsperren verwendet.

4.2.1 Bestandteile eines festen Wehres

Die Bestandteile eines festen Wehres sind in Abb. 4.6 dargestellt. Oberhalbdes massiven Staukrpers schtzt der Vorboden aus groen Wasserbausteinenoder einer Betonplatte die Sohle vor Erosion.

Beispiel:Caderousse (Rhone)

Schifffahrts-undKraftwerkskanal

Staubecken

Wehr

Absehnung

Schleuse

Kraft-werk


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134 4 Wehre

Abb. 4.6 Bestandteile eines festen Wehres (nach DIN 4048, Teil 1)

Grunddreieck

Das Wehr selbst besteht aus einem massiven Staukrper, der allein durch seinGewicht die Krfte aus dem Wasserdruck in den Untergrund ableitet. Darausergibt sich ein einfaches Grundkonzept fr die konstruktive Gestaltung desWehrkrpers (s. Abb. 4.7). Die ueren Umrisse des Wehres entsprechengrtenteils einem Grunddreieck, dessen Spitze in Hhe des Hchsten Stau-

ziels ZH liegt. In dieses Grunddreieck wird ein hydrodynamisch gnstig ge-formtes berlaufprofil eingepasst. Handelt es sich um eine Betonkonstruktion,muss die Neigung des Grunddreiecks und damit des Wehrrckens in Ab-hngigkeit des Sohlenwasserdrucks etwa zwischen 0,75 < b: h< 0,85 liegen,damit die angreifenden Momente aus Wasserdruck und Sohlenwasserdruckdurch die Gewichtskraft des Sttzkrpers aufgenommen werden knnen. Einekonstruktive Fuge zwischen Wehrkrper und anschlieendem Tosbecken bil-det den fiktiven Drehpunkt beim Nachweis der Kippsicherheit des Bauwerks.

Bei Geschiebe fhrenden Flssen empfiehlt es sich, Wehrrcken und Tos-becken mit einer mindestens 15 cm dicken Schicht aus verschleifestem Betonnach DIN 1045 zu versehen. Strkrper sollten in diesem Fall mit einemStahlmantel vor Erosion, Abrasion und Kavitation geschtzt werden.

gezahnte Endschwelle

berlaufkroneNische frRevisionsverschluss

Spundwand

Wehrrcken Wehrwange

VorbodenWehrkrper Tosbecken

KolkschutzEndschwelleStrkrper

ZH

ZS


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4.2 Feste Wehre 135

Abb. 4.7 Das Grunddreieck eines Festen Wehres

berlaufprofilEin besonderes Augenmerk verdient das berlaufprofil. Es ist so zu gestalten,dass Strahlablsungen (Minderung der Abflussleistung) und zu groe Unter-drcke (Kavitationsgefahr) vermieden werden. Je strmungsgnstiger diesesProfil ausgebildet wird, umso leistungsfhiger ist das Wehr. Die Abflussleis-tung Qeines Wehres mit der Breite b bestimmt sich ohne Rckstaueinfluss zu

23 22 2 ( )

3 2

uQ b g h

g= + (4.1)

Wenn die Fliegeschwindigkeit u im Oberwasser kleiner als etwa 1 m/s be-trgt, kann die Geschwindigkeitshhe u2/2g (5 cm) in der Regel vernach-lssigt werden (Poleni-Formel). Der dimensionslose berfallbeiwert ist vonder Form der berlaufkrone abhngig. Strmungsgnstig ausgerundete Profileerreichen -Beiwerte zwischen etwa 0,65 und 0,75 (z. B. WES-Profil, sieheunten).

Nach dem Wehrrcken folgt das Tosbecken. Hier findet die Energieumwand-lung des Abflusses statt. Um die Flusssohle hinter dem Tosbecken vor Erosionzu schtzen bedarf es in der Regel einer Sohlbefestigung in Form eines Kolk-schutzes (siehe Abschnitt 4.5.2).

EnergielinieZH(Hchstes Stauziel)

hE h Grunddreieck

berlaufkrone ( z. B. WES-Profil )

Staukrper

Ausrundung

Fuge Tosbeckenplatte

h

b


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WES-Profil

Der Formbeiwert in Gleichung 4.1 hngt hauptschlich von der Kronenformab und in geringem Mae auch von der berfallhhe. Grundstzlich knnen

berlaufkronen von Wehren Formbeiwerte zwischen etwa = 0,5 (bei breit-kronigen Wehren) und = 0,80 (bei dachfrmigen Wehren) aufweisen.Empfehlenswert sind hhere Beiwerte zwischen 0,70 und 0,75. Dadurch lsstsich die erforderliche Wehrbreite deutlich reduzieren. Bei hheren Beiwertenentstehen infolge der gekrmmten Strombahnen auf dem Wehrrcken Unter-drcke und Ablsungen, die eine Materialzerstrung hervorrufen knnen.

Ein hydraulisch gnstiges Abflussprofil wurde vomAmerican Corps of En-gineersan der Waterways Experiment Stationin Vicksburg, USA, entwickelt.Es trgt daher die Kurzbezeichnung WES-Profil. Die grundstzliche ber-

legung beim Entwurf des WES-Profils war die Tatsache, dass der Bemes-sungsabfluss nur selten auftritt, kleinere Abflsse aber sehr hufig ber dasWehr abgefhrt werden. Das WES-Profil lsst daher beim Bemessungsabflussgeringe Unterdrcke zu und wird stattdessen fr einen etwas geringeren Ab-fluss optimiert, mit einer berstrmungshhe hd (d fr design). Fr dieseEntwurfsberstrmungshhe und damit auch fr kleinere Abflsse bleibtdas berlaufprofil somit stabil und der Abfluss lst sich nicht vom Profil[4.10].

Fr hdempfiehlt Husler [4.11] Werte von grer gleich 80 % der maximalenberstrmungshhe h(s. Abb. 4.8):

(0,8 bis 1,0)d h h= (4.2)

Das WES-Profil folgt der mathematischen Beziehung

1,85 0,852 dx h y= (4.3)

KonstruktionshinweiseZunchst wird das Grunddreieck gem Abb. 4.8 gezeichnet, wobei die Nei-gung nach statischen Gesichtspunkten gewhlt wird. In diesem Beispiel ist= 60. Die WES-Kurve nach Gleichung 4.3 hat einen tangentialen bergangzum Grunddreieck im AbstandyTvon der berlaufkrone. Damit lsst sich derTangentenpunkt Tkonstruieren. Der Scheitelpunkt der berlaufkrone liegtxTvom Tangentenpunkt entfernt. Daraus ergibt sich die Lage der y-Achse unddes KronenscheitelsK. Fr xT und yT gelten folgende Beziehungen:

1,1765

1,0961 (tan )T dx h = (4.4)

2,17650,5925 (tan )T dy h = (4.5)


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4.2 Feste Wehre 137

ZwischenKund Tlsst sich nun das WES-Profil mit Hilfe von Gleichung 4.3im soeben konstruiertenx-y-Koordinatensystem einpassen.

Die Formgebung wasserseitig vom Kronenscheitel wird von zwei Kreis-segmenten gebildet. Fr die Radien und die Positionen der Mittelpunkte geltenfolgende Formeln:

1 20,5 und 0,2d dr h r h= = (4.6)

0,282 und 0,175d da h b h= = (4.7)

Mit diesen Angaben lsst sich das WES-Profil vollstndig konstruieren. Es seidarauf hingewiesen, dass je nach Wahl von hdund der Neigung des Grund-dreiecks sich wasserseitig sehr unterschiedliche, teils unbefriedigende Formenergeben knnen. Hierbei ist zu beachten, dass brauchbare Profile nur dannvorliegen, wenn sie ber das Grunddreieck hinaus zur Wasserseite hin aus-kragen, wie in Abb. 4.8. Weitere Hinweise finden sich in [4.11].

Abb. 4.8 Das WES-Profil fr berlaufkronen

4.2.2 Sonderformen der festen Wehre

Heberwehre haben keine beweglichen Verschlussteile und zhlen deshalb zuden festen Wehren. Das hydraulische Prinzip eines Heberwehres ist in Abb.4.9 dargestellt. Bei Erreichen eines Wasserstandes knapp ber der innen lie-

Grunddreieck

Tangenten-Berhrungspunkt

Hchstes Stauziel


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138 4 Wehre

genden Wehrschwelle des Staukrpers (in der Regel bei bersteigen des Stau-zieles ZS), springt der Heber an. Nur kurzzeitig herrscht jetzt freier berfall.Schon bei leicht steigendem Abfluss lenkt die Anspringnase den Wasserstrahlan die Heberdecke, wodurch der Heberschlauch schnell evakuiert wird. Hier-durch kommt es zu einem raschen bergang vom Freispiegel- zum Druck-abfluss und der Heber erreicht unmittelbar eine hohe Abflussleistung. Der Ab-fluss nimmt auch bei weiter steigendem Wasserstand kaum zu, da jetzt dieGesetze des Druckabflusses zugrunde liegen. Nimmt der Zufluss in die Stau-haltung wieder ab und fllt der Wasserstand unter die Einlaufkante der Heber-haube an der Einlauflippe, reit der Wasserstrom infolge der eingesaugtenLuft abrupt ab. Sonderkonstruktionen mit bedienbaren Belftungsvorrich-tungen erlauben eine frhere Unterbrechung des Abflusses, indem manuellLuft in den Heberschlauch gelassen wird und dadurch der Abfluss abrupt ab-

reit.

Abb. 4.9 Heberwehr mit spezieller Abflusscharakteristik

Aufgrund der geschilderten Abflusscharakteristik ist das Heberwehr nur ein-geschrnkt steuerbar und auch nicht berlastbar. Es bietet damit keine Reser-ven fr extreme Hochwasserereignisse. Dennoch wurden Heberwehre frhervielfach als Hochwasserentlastungsanlagen bei Talsperren verwendet, weil sieeine hohe spezifische Abflussleistung aufweisen.


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4.3 Bewegliche Wehre 139

4.3 Bewegliche Wehre

Bewegliche Wehre sind Stauvorrichtungen, bei denen der Aufstau nicht durch

einen festen Baukrper (wie bei den festen Wehren, Abschnitt 4.2), sonderndurch bewegliche Verschlsse bewirkt wird. Der Oberwasserspiegel ist aufdiese Weise sehr genau durch die jeweilige Stellung dieser Wehrverschlssezu steuern. Die Randbedingungen Bemessungshochwasserabfluss, Eis undGeschiebe, Untergrundverhltnisse und optische Erscheinung bestimmen dieArt der Verschlsse, die Anzahl der Wehrfelder und deren lichte Weite sowiedie Stauhhe. Daneben spielen Aspekte der Betriebssicherheit und der Wirt-schaftlichkeit eine ebenso wichtige Rolle. Wenn mglich, wird man Wehrver-schlsse whlen, die sich mit geringer Antriebskraft oder allein durch Wasser-

druck bewegen lassen.Bei der Formgebung ist zu beachten, dass keine gefhrlichen Schwin-gungen und Unterdrcke an den Verschlssen und am Bauwerk entstehen. E-benso ist Kavitation zu verhindern, welche die Lebensdauer der Anlage ver-krzen wrde. In der Regel knnen diese strenden Einflsse auf denpraktischen Betrieb mit Hilfe eines wasserbaulichen Modellversuchs ver-mieden werden.

Die Bewegung der Verschlsse kann mechanisch, hydraulisch, elektrischoder selbstttig durch das Wasser erfolgen. Bei Ausfall der primren An-triebsquelle mssen die Wehrverschlsse weiterhin bedienbar bleiben (ffnenund Schlieen). Daher ist eine zweite Energiequelle (Notaggregat) vorzuhaltenoder muss in ausreichend kurzer Zeit verfgbar sein. In der Praxis besitzen e-lektromechanische und lhydraulische Antriebe zustzlich einen Handantrieb.Bei groen Wehrverschlssen sollte dieser Handantrieb durch einen unabhn-gigen Hilfsmotor bedient werden knnen.

Die Berechnung und die bauliche Durchbildung der Wehrverschlsse undderen Antriebe erfolgt nach DIN 19704 - 1 und - 2 sowie nach DVWK-Merk-blatt 249 Betrieb von Verschlssen im Stahlwasserbau [4.7].

Hufig findet man bei beweglichen Wehren einen kleinen Wehrhcker (sieheAbb. 4.10), auf dem die Verschlusselemente aufsitzen. Sind diese Betonteilekleiner als etwa 15 % der Oberwassertiefe, wird die Anlage noch den beweg-lichen Wehren zugeordnet. Erst bei einem hheren Anteil am Aufstau handeltes sich um einen festen Staukrper und man ordnet die Anlage den kombi-nierten Wehren zu (siehe Abschnitt 4.3.5).


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140 4 Wehre

(1) Wehrkrper (7) Wehrverschluss (13) Strahlteiler

(2) Vorboden (8) Stauwand (14) gezahnte Endschwelle

(3) Einlaufboden (9) Aufsatzklappe (15) Kolkschutz / Nachboden

(4) Wehrschwelle (10) Revisionsverschluss (16) Sporn

(5) Wehrhcker (11) Tosbecken

(6) Wehrpfeiler (12) Strkrper

Abb. 4.10 Bestandteile eines beweglichen Wehres

4.3.1 Steuerung der beweglichen Wehre

Im Gegensatz zu festen Wehren, bei denen sich der Oberwasserspiegel ab-hngig vom Zufluss variabel einstellt, kann bei einem beweglichen Wehr einkonstantes Stauziel im Oberwasser gehalten werden. Die Verschlsse desWehres sind so zu steuern, dass alle Wehrfelder gleichmig beaufschlagt

werden. Dadurch werden die gnstigsten Strmungsbedingungen erreicht.Insbesondere bei Stauhaltungen an schiffbaren Flssen drfen keine gefhr-lichen Schwallwellen (Brckendurchfahrten!) und Sunkerscheinungen (mini-male Flottwassertiefe) auftreten. Wird ein vorhandenes Wasserkraftwerk vomNetz genommen, muss der Turbinendurchfluss durch das Wehr geleitetwerden. Hierbei zwangslufig in kurzer Zeit entstehende Schwall- und Sunk-wellen sind in den Staurumen schadlos auszugleichen.

ZS

3

42

16

10 79

63

8

5 13

12 10

151611

14

Unterwasser


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Abb. 4.11 Klappenwehr Vilsbiburg / Vils mitseitlichem Schleifblech und Strahlaufreiern oben

(n-1)-Bedingung

Bei Hochwasser mssen die Verschlsse sicher geffnet und der ursprnglicheFlussquerschnitt freigegeben werden knnen. DIN 19700 Teil 13 schreibt hierdie Einhaltung der sogenannten (n-1)-Bedingung vor. Diese Vorschrift ver-langt, dass Wehre mit beweglichen Verschlssen so zu dimensionieren sind,dass der Bemessungshochwasserzufluss BHQ1 auch bei Ausfall eines Wehr-feldes schadlos und ohne berschreitung des fr diesen Fall festgesetztenWasserspiegels abgefhrt werden kann. Bei unterschiedlichen Wehrfeldernmuss jenes mit der grten Abflussleistung als nicht zu ffnen unterstellt wer-den.

Bei Wehrfeldern mit mehreren Verschlssen bereinander (z. B. Staubal-kenwehre, siehe Abschnitt 4.4.1) gengt es, die leistungsfhigste ffnung alsgeschlossen anzusetzen, jedoch nur, wenn im Revisions- oder Reparaturfall


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142 4 Wehre

betrieblich auch tatschlich nur eine ffnung und nicht ein ganzes Wehrfeldabgesperrt werden kann.

Die (n-1)-Bedingung muss somit sowohl die Mglichkeit des Ausfalls einesVerschlusses durch Reparatur- und Wartungsarbeiten als auch das unvorher-gesehene Blockieren des Verschlusses oder Versagen der Antriebsaggregateabdecken.

Zustzlich ist noch folgendes zu beachten:

Revisionsarbeiten sollten nach Mglichkeit nur in Niedrig- oderMittelwasserzeiten durchgefhrt werden;

Durch Wahl bewhrter Verschlusssysteme wie Klappe, Segmentverschlussoder Schtz ist das ffnungsrisiko zu minimieren;

Wehrverschlsse, die sich alleine aus dem Wasserdruck (z. B. Stauklappen)oder mit nur geringer Antriebskraft (z. B. Sektoren und Segmentverschls-se) ffnen lassen, sind zu bevorzugen;

Erfolgt ein Teil der Hochwasserabfuhr ber seitliche Umlufe, die als festeWehre konzipiert sind (Streichwehre), ist die (n-1)-Bedingung nur auf denverbleibenden Abfluss anzuwenden;

Der Turbinendurchfluss einer Wasserkraftanlage darf bei der(n-1)-Bedingung nicht angesetzt werden;

Schiffsschleusen drfen bercksichtigt werden, wenn die Schleusentorefr diesen Betriebsfall eingerichtet und bemessen werden.

Bei schwierigen Randbedingungen wie z. B. Schrganstrmung oder Einstauvom Unterwasser verndert sich die Leistungsfhigkeit der einzelnen Wehr-felder, auch wenn diese gleiche Breite aufweisen. Dies ist bei der (n-1)-Betrachtung zu bercksichtigen und zu bewerten.

Das Tosbecken ist so zu bemessen, dass auch im (n-1)-Fall in allen Be-triebsfllen die Energieumwandlung im Tosbecken stattfindet. Meist sindhierfr Einbauten im Tosbecken notwendig, z. B. Strahlteiler oder Strkrper.

Ausfhrliche Betrachtungen zur (n-1)-Regel sind im DVWK-Merkblatt 216Betrachtungen zur (n-1)-Bedingung an Wehren enthalten [4.6]. Darin sindauch Vorgehensweisen genannt, wenn bei bestehenden Wehranlagen einNachweis nach (n-1) nicht gefhrt werden kann (n-a-Bedingung).

Ausnahmen von der (n-1)-Bedingung

Bei kleinen, einfeldrigen Wehranlagen darf auf die Einhaltung der (n-1)-Bedingung u. U. verzichtet werden. Voraussetzung hierfr ist, dass bei einemblockierten Verschluss der Anstieg des Oberwasserspiegels und die daraus re-sultierenden Auswirkungen hingenommen werden knnen. Die Tragsicherheit


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des Bauwerks darf auch bei diesem erhhten Wasserstand nicht gefhrdet sein.Durch eine Redundanz der Antriebe, durch verstrkte Wartung und durchRufbereitschaft von schwerem Hebegert kann das Risiko der berstrmungder Wehranlage weiter reduziert werden.

Fr den Bemessungshochwasserzufluss BHQ2ist die (n-1)-Bedingung nichtanzuwenden. Hier drfen alle Wehrfelder zur Abfuhr des Hochwassers be-rcksichtigt werden. Es darf auch der Durchfluss durch ein vorhandenesKraftwerk und eine Schiffsschleuse als abflusswirksam angesetzt werden.

4.3.2 Einteilung der beweglichen Wehre

Am zweckmigsten unterteilt man bewegliche Wehre anhand ihrer Ver-

schlsse. Grundstzlich unterscheiden sich diese durch die Bewegung beimffnen und Schlieen und durch die Art, wie der Abfluss freigegeben wird.Verschlsse werden entweder durch Heben und Senken oder durch eine Dreh-bewegung des Verschlussorgans verstellt und dadurch ber- oder unterstrmt.Durch Kombinationen von unterschiedlichen Verschlusstypen ist gleichzeitigeine ber- und Unterstrmung mglich.

Bei der Wahl der Verschlsse ist besonders auf eine gute Abfuhr von Eis,Geschiebe, Treibholz und Geschwemmsel* zu achten. Eine Einteilung ver-schiedener Verschlusstypen aus Stahl zeigt Abb. 4.12. Daneben setzen sich

zunehmend preisgnstige Gummigewebeschluche mit Luft- oder Wasser-fllung durch (Schlauchwehre, siehe Abschnitt 4.3.5).

*Geschwemmsel, auch Schwemmgut genannt, ist natrliches Treibgut aus Pflanzenresten(vorwiegend Holz und Laub) und ggf. Verunreinigungen (Plastiktten etc.) im Wasser.Der jhrliche Eintrag in ein von Laubwald begleitetes Gewsser hngt stark von der

Gewsserbreite und der Pflanzenstruktur ab. Hohe Eintrge finden insbesondere wh-rend der anlaufenden Welle eines Hochwassers statt. Geschwemmsel kann in Flie-gewssern umfangreiche Barrieren bilden. Geschwemmsel, das in den Rechen vonWasser entnehmenden Betrieben (z. B. Kraftwerken) anfllt muss laut Kreislaufwirt-schafts- und Abfallgesetz vom Betrieb sortiert und wie Abfall entsorgt werden.


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144 4 Wehre

Abb. 4.12 Einteilung wichtiger Verschlsse bezglich ihrer Bewegung undder Art der Abflussfreigabe (Staubalkenwehr siehe Abschnitt 4.4.1)

4.3.3 Hubverschlsse

Im einfachsten Fall werden Verschlsse vertikal angehoben, um ein Wehrfeldfr den Abfluss freizugeben. Mit Hilfe von Ketten oder Hydraulikzylindernknnen die Stahlteile gehoben und wieder abgesenkt werden. In der Regelwerden die Verschlsse in Pfeilernischen gefhrt, wo sie die Wasserdruck-krfte in die Pfeiler abgeben.

Dammbalkenwehr

Das Dammbalkenwehr besteht aus einzelnen Balken, welche horizontal ber-einander in seitlich in den Pfeilern eingelassene Dammbalkennuten eingefhrtwerden. Sie geben dort die Wasserdruckkrfte an die Pfeiler ab. Die Abdich-tung zwischen den Balken wird mittels lngs der Berhrungsflchen einge-lassener oder aufgeschraubter Gummileisten gewhrleistet. Da das Bedienendieses Verschlusses sehr umstndlich und zeitraubend ist, wird er heute nurnoch bei kleinen Wehranlagen an Bchen und als temporrer Revisionsver-

schluss verwendet. Hufig werden hierzu grere Dammtafeln eingesetzt. MitHilfe eines Portal- oder Autokranes lassen sich die Elemente oberwasser- undunterwasserseitig eines Wehrverschlusses einfhren und ermglichen so dieInspektion des Wehrkrpers und der Wehrverschlsse.

Hakendoppelschtz Klappenwehr Sektorwehr

Drucksegment mitAufsatzklappe

Staubalkenwehr mit Klappeund Drucksegment

Zugsegment mitAufsatzklappe


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http://www.springer.com/978-3-540-22300-9

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