Energiedissipation

Gerade überkritischer Abfluss hat oft eine hohe Strömungsenergie, die sich aus der notwendigen kinetischen Energie fürs Weiterfließen und überschüssiger Energie zusammensetzt. Die überschüssige Energie kann u.a. zu Sohlenerosion führen. Deshalb ist es wichtig, diese überschüssige Energie zu dissipieren. Das kann in dem bereits genannten Wechselsprung (frei entstehend oder beabsichtigt in Tosbecken) oder in speziell gestalteten Überfällen (treppenförmig, schanzenförmig) realisiert werden. An einem Überfallrücken mit sprungschanzenförmigen Einbau entsteht ein Freistrahl, der in die Luft sprüht und nach Aufprall an der Sohle seine Energie dissipiert hat (siehe Foto rechts).

Überschüssige Energie lässt sich an folgenden Orten lokalisieren:

  • an Querschnittseinschnürungen, z.B. Wehre, Schütze

  • in Schussrinnen / steilen Gefällen

  • bei Veränderung der Abflusstiefe durch Einbauten


HM 162 mit rundkronigem Wehr HM 162.32 und Schwellen aus HM 162.35

überkritischer Abfluss am Überfallwehr mit anschließender Energiedissipation im Tosbecken

ho Überfallhöhe, vu Fließgeschwindigkeit Oberwasser, W Wehrhöhe, E spezifische Energiehöhe, Q Abfluss, h1 kleinste Abflusstiefe, h2 Abflusstiefe nach Wechselsprung, hd Abflusstiefe Unterwasser, L1 Länge Wehrkörper, L2 Länge Tosbecken, ΔE dissipierte Energie (Energiehöhenverlust); gestrichelte Linie Energielinie

Tosbecken haben folgende Funktionen:

  • Stabilisierung des Wechselsprungs an einem definierten Ort (je nach Abflusstiefe h bzw. Rückstaubedingungen im Unterwasser kann die Position des Wechselsprungs sonst variieren)

  • zusätzlich zum Wechselsprung weitere Energiedissipation durch Bauelemente, z.B. Prallblöcke, Schwellen

  • Schutz der Gerinnesohle gegen Erosion und Kolkbildung (trichter- oder kesselförmige Vertiefung in der Gerinnesohle)

  • Umwandlung überschüssiger Energie des Wassers (kinetisch und potentiell) in Wärme- und Schallenergie; eine gute Energieumwandlung findet bei Froudezahlen zwischen 4 und 8 statt.

Wichtig ist, dass der Wechselsprung nicht aus dem Tosbecken ins Unterwasser wandert und dort ggf. Kolk verursacht. Dazu wird ein leichter Rückstau empfohlen. Ein Maß für den Rückstau des Tosbeckens ist der sogenannte Einstaugrad. Der Einstaugrad ist das Verhältnis aus tatsächlich vorhandener Abflusstiefe h zu theoretisch erforderlicher Abflusstiefe req. h („required“).

Das Tosbecken kann durch verschiedene Maßnahmen effizienter gestaltet werden. Es ist möglich, den Fließquerschnitt zu erweitern oder sogenannte Strahlteiler einzusetzen.

In GUNT-Versuchsrinnen können Strahlteiler und Schwellen am Boden des Tosbeckens eingebaut werden. Diese Elemente zur Energiedissipation unterstützen die Energieumwandlung und dissipieren so die überschüssige Energie schneller.


Bauformen von Tosbecken

1 vertieft, 2 muldenförmig vertieft, 3 ohne Vertiefung; a positive Stufe, Q Abfluss, L Länge des Tosbeckens, h1 Abflusstiefe zu Beginn des Tosbeckens, h2 konjugierte Tiefe im Wechselsprung, hd Abflusstiefe im Unterwasser, req. h2 theoretisch erforderliche Abflusstiefe