Kontrollbauwerke

Kontrollbauwerke sind übliche Elemente in Gerinnen und haben folgende Aufgaben:

  • Anhebung des Wasserspiegels, z.B. für eine ausreichende Fahrwassertiefe für Schiffe, Wasserkraftnutzung, Erosionsschutz durch kleinere Fließgeschwindigkeit

  • Regelung des Abflusses

  • Messung des Abflusses

Typische Kontrollbauwerke sind Wehre oder Schütze. Sie unterscheiden sich dadurch, ob sie überströmt (Wehr) oder unterströmt (Schütz) werden.

Was ist ein Wehr? Siehe das unten stehende Video.

Es gibt feste oder bewegliche Kontrollbauwerke. Schütze sind meistens beweglich, sie können den Wasserspiegel und Abfluss regeln. Mögliche Bewegungen sind: hebbar, versenkbar, drehbar, umlegbar, rollend oder Kombinationen der genannten Bewegungen. Wehre können als festes Wehr oder als bewegliches Wehr ausgeführt sein. Feste Wehre können den Wasserspiegel nicht regeln, bieten dafür als Vorteil, dass sie keine störanfälligen und wartungsintensiven beweglichen Teile enthalten. Eine Sonderform des festen Wehrs ist das Heberwehr. Im Bereich des Kontrollbauwerks tritt ein Fließwechsel von unterkritischem zu überkritischem Abfluss auf.

Reale Kontrollbauwerke bestehen aus folgenden Komponenten:

  • Staukörper (erzeugt Anhebung des Wasserspiegels); kann fest, beweglich oder eine Kombination aus beiden sein

  • Tosbecken: Energiedissipation des Abflusses

  • Sohlenbefestigung in Ober- und Unterwasser, Anschlussbauwerke (Wehrwangen)

  • Bauten für die ökologische Durchgängigkeit

Überfallbedingungen am Wehr

Am Wehr können zwei Überfallbedingungen vorliegen. Im Fall des vollkommenen Überfalls bleibt das Oberwasser unbeeinflusst vom Unterwasser. An der Wehrkrone herrscht Grenzabfluss. Die Wehrkrone ist oberhalb des Unterwasserspiegels. Das Wehr wird als Überfallwehr bezeichnet.

Beim unvollkommenen Überfall wird das Oberwasser vom Unterwasser beeinflusst. Das Wehr wirkt wie ein sogenanntes Grundwehr und ist in vielen Fällen vollständig unter Wasser.

Wehre entkoppeln bei vollkommenem Überfall den Wasserspiegel im Oberwasser vom Wasserspiegel im Unterwasser. Sobald das Unterwasser die Wehrkrone so weit einstaut, dass über ihr die Grenztiefe überschritten wird, liegt unvollkommener Überfall vor.

1 vollkommener Überfall, 2 unvollkommener Überfall; W Wehrhöhe, ho Überfallhöhe, hc Grenztiefe, Q Abfluss, hd Abflusstiefe Unterwasser, hw Abflusstiefe auf Wehrkrone

Wehrtypen

Man kann im Wesentlichen drei Wehrtypen unterscheiden:

  • scharfkantig

  • rundkronig/ ausgerundet (Überfallwehr)

  • breitkronig

Scharfkantige Wehre werden bevorzugt als Messwehr ein-gesetzt, rundkronige Wehre fi ndet man oft als Stauwehr und Hochwasserüberfall und breitkronige Wehre dienen oft als Sohl-schwelle und überströmtes Bauwerk.In den GUNT-Versuchsrinnen werden diese drei Wehrtypen behandelt.

Kontrollbauwerke: Strömung über feste Wehre

vereinfachtes Kontrollbauwerk: rundkroniges Wehr mit Tosbecken

1 Wehrkrone, 2 Wehrkörper, 3 Ausrundung, 4 Tosbecken; ZH höchstes Stauziel, ho Überfallhöhe, E spezifische Energiehöhe; red Grunddreieck des Wehrs als Hilfsmittel zur Auslegung

Feste Wehre werden oft zum Aufstauen eines Flusses eingesetzt. Das Wehr selbst besteht aus einem massiven Staukörper. Das angreifende Moment des Wasserdrucks wird von der Gewichtskraft der Staumauer kompensiert. Aus diesem Grund werden Wehre normalerweise so konstruiert, dass die äußeren Umrisse ungefähr einem Dreieck entsprechen. Der Wehrrücken kann strömungsgünstig gestaltet werden, um einen möglichst großen Abfluss Q zu erreichen. Ein hydraulisch günstiges Abflussprofil ist das sogenannte WES-Profil, das an der Waterways Experimental Station in Vicksburg, MS, USA, von der US Army entwickelt wurde. Bei der Gestaltung des WES-Profils wird nicht vom sogenannten Bemessungsabfluss ausgegangen. In der Regel werden kleinere Abflüsse als der Bemessungsabfluss über das Wehr abgeführt. Das Wehr wird also für einen etwas kleineren Abfluss optimiert. Für Abflüsse, die kleiner oder gleich dem „Entwurfsabfluss“ sind, bleibt das Abflussprofil stabil, Strahlablösungen werden verhindert. Im Falle des Bemessungsabflusses entstehen am Wehrrücken geringe Unterdrücke, die noch keine Gefahr für das Wehr bedeuten.

Kontrollbauwerke: Überfallarten am Wehr

Es gibt zwei Arten des Überfalls: der sogenannte scharfkantige Überfall und der hydrodynamische Überfall. Bei beiden Arten des Überfalls kann die Überfallbedingung vollkommen oder unvollkommen vorliegen.

Beim scharfkantigen Überfall ist es wichtig, dass der Überfallstrahl belüftet wird, damit er frei fällt. Ohne Belüftung kann es zu Störungen und dadurch zu vermindertem Abfluss kommen.

Beim hydrodynamischen Überfall am festen Wehr ist es wichtig, dass Strahlablösungen (verminderter Abfluss) und zu große Unterdrücke (Gefahr von Kavitation) vermieden werden.

Kontrollbauwerke: Abflussberechnung am Wehr

Die Abflussberechnung spielt bei der Strömung über Kontrollbauwerke eine große Rolle. Zur Abflussberechnung wird die Poleni-Gleichung verwendet. Für ein Wehr mit vollkommenem Überfall gilt:

μ ist ein Faktor, der die Wehrgeometrie berücksichtigt (siehe Tabelle), b ist die überstrichene Breite des Wehrs, ho die sogenannte Überfallhöhe. Im Fall des unvollkommenen Überfalls wird die Gleichung mit einem Abminderungsfaktor ergänzt, der geeigneten Diagrammen entnommen wird. Aus der Bernoulli-Gleichung ergibt sich, dass man die spezifische Energiehöhe E aus der kinetischen Energie (Anströmgeschwindigkeit vu) und der Abflusstiefe hu im Oberwasser berechnen kann. In vielen Fällen ist vu relativ klein und wird vernachlässigt.

In den GUNT-Versuchsrinnen werden Modelle untersucht, die normal, also senkrecht zur Strömungsrichtung, angeströmt werden. Die betrachteten Wehre gehören alle zur Gruppe der festen Wehre.

In der Praxis gibt es auch sogenannte Streichwehre, die zur Hochwasserentlastung eingesetzt werden. Streichwehre werden parallel zur Strömungsrichtung eingebaut. Auch Streichwehre sind feste Wehre.

Überfallbeiwerte μ für Wehre mit unterschiedlich geformten Kronen

Kontrollbauwerke: rundkronige Wehre

Die festen rundkronigen Wehre (engl. „Ogee weir“) werden bevorzugt als Stauwehr und Hochwasserüberfall verwendet. Normalerweise haben sie einen strömungsgünstigen Wehrrücken, z.B. mit dem WES-Profil.

hydrodynamischer Überfall am rundkronigen Wehr, Druckverteilung an der Wehrkrone bei unterschiedlichem Abfluss

1 Überfallstrahl liegt auf, 2 Wehrrücken entspricht ungefähr der Kontur des freien Überfallstrahls, 3 Überfallstrahl hebt gegebenenfalls ab; Q Abfluss, QB Bemessungsabfluss

Kontrollbauwerke: scharfkantige Wehre

Auch beim scharfkantigen Wehr gibt es den vollkommenen und den unvollkommenen Überfall. Für den optimalen Abfluss am scharfkantigen Wehr ist es wichtig, dass der Überfallstrahl belüftet wird. Auf Ober- und Unterseite des belüfteten Überfallstrahls herrscht Umgebungsdruck. Typische Größen sind die Wehrhöhe W, die Überfallhöhe ho über der Wehrkrone im Oberwasser und die Abflusstiefe hd im Unterwasser. Zusammen mit der Wehrbreite b gehen diese Größen in die Poleni-Gleichung zur Abflussberechnung ein. Einige Größen sind indirekt in Beiwerten bzw. Abminderungsfaktoren enthalten.

vollkommener belüfteter Überfall am scharfkantigen Wehr

1 Wehr, 2 Überfallstrahl, 3 Absenkung; vu Geschwindigkeit im Oberwasser, v1 Geschwindigkeit im Überfallstrahl, hd Abflusstiefe Unterwasser, ho Überfallhöhe, hu Abflusstiefe Oberwasser, W Wehrhöhe

unvollkommener Überfall

1 am teilweise eingetauchten scharfkantigen Wehr,

2 am vollständig eingetauchten scharfkantigen Wehr (gewellter Abfluss)

Kontrollbauwerke: breitkronige Wehre

Breitkronige Wehre sind überströmte Bauwerke, die in Fließgewässer eingesetzt werden, in denen der Abfluss wenig schwankt und nur ein eher kleines Stauziel erwünscht ist. Außerdem können sie der Unterbau für ein bewegliches Kontrollbauwerk sein. Breitkronige Wehre sind dadurch gekennzeichnet, dass auf der Wehrkrone ein kurzer Abschnitt von nahezu gleichförmigem Abfluss mit Grenztiefe auftritt (siehe Abbildung). In diesem Abschnitt liegt eine hydrostatische Druckverteilung vor, die Stromlinien verlaufen nahezu horizontal. Diese Bedingungen gelten, solange das Verhältnis der Überfallhöhe zur Wehrlänge ho/L zwischen 0,08 und 0,5 liegt. Breitkronige Wehre mit diesen Abmessungen können auch als Messwehr genutzt werden.

Sobald ho/L < 0,08 gilt, können Reibungsverluste nicht mehr vernachlässigt werden, der Wehrkörper ist zu lang, um als Messwehr zu dienen. Bei ho/L > 0,5, also bei kurzen Wehrkörpern, verlaufen die Stromlinien nicht horizontal, die Druckverteilung ist nicht hydrostatisch, so dass man nicht die hier vorgestellten Berechnungsansätze verwenden kann. Aus ökologischen Gründen wird heute selten ein breitkroniges Wehr als Sohlschwelle in Flüssen eingesetzt. Stattdessen wird eine Sohlrampe gebaut, damit Fische und andere aquatische Lebewesen stromaufwärts schwimmen können. GUNT-Versuchsrinnen ermöglichen die Untersuchung verschiedener breitkroniger Wehre und der jeweiligen Abflüsse Q.

breitkroniges Wehr

vu Fließgeschwindigkeit Oberwasser, hu Abflusstiefe Oberwasser, W Wehrhöhe, hc Grenztiefe, L Wehrlänge; Pfeile zeigen Stromlinien


Kontrollbauwerke: Heberwehr

Das Heberwehr zählt zu den festen Wehren. In den Abbildungen ist das hydraulische Prinzip des Hebers dargestellt, wie er z.B. als Hochwasserüberfall verwendet wird. Sobald der Wasserspiegel des Stausees knapp über die Wehrkrone des Staukörpers steigt, springt der Heber an, es kommt kurzzeitig zum freien Überfall. Bei leicht steigendem Wasserspiegel, also leicht steigendem Abfluss, wird der Wasserstrahl von der Anspringnase an die Heberdecke gelenkt. Dies führt zu einer Evakuierung im Heberschlauch, so dass es zum Druckabfluss im voll durchströmten Rohr kommt. Dieser Druckabfluss hat eine hohe Abflussleistung, die auch bei weiter steigendem Wasser-spiegel kaum noch zunimmt. Wenn der Wasserspiegel des Stausees wieder so weit fällt, dass er die Kante der Einlauflippe unterschreitet, wird Luft in den Heber gesaugt und der Heber belüftet. Dadurch reißt der Wasserstrom abrupt ab. Durch eine zusätzliche Vorrichtung zur Belüftung kann der Abfluss jederzeit unterbrochen werden. Heberwehre sind nur eingeschränkt einstellbar und können nicht überlastet werden. Sie wurden wegen ihrer hohen spezifischen Abflussleistung früher oft als Hochwasserentlastung bei Talsperren eingebaut.

Prinzip eines Heberwehrs

1 bedienbare Belüftung, 2 Wehrkörper, 3 Anspringnase, 4 Heberschlauch, 5 Heberdecke; ZS Stauziel, ZH höchstes Stauziel

Kontrollbauwerke: Strömung unter Schützen

Ausfluss unter einem Planschütz

1 vollkommener Ausfluss, 2 unvollkommener Ausfluss; hu Abflusstiefe Oberwasser, a Schützöffnung, hd Abflusstiefe Unterwasser, h1 minimale Abflusstiefe, L Position der minimalen Abflusstiefe, E spezifische Energiehöhe, ΔE Energiehöhenverlust

Für Schütze gibt es, analog zu überströmten Wehren, vollkommenen und unvollkommenen Ausfluss. Beim Ausfluss kommt es zur Strahlkontraktion, die „Vena Contracta“ genannt wird (minimale Abflusstiefe h1). Vollkommener Ausfluss herrscht, solange der Ausfluss ungestört unter dem Schütz strömt und kein Rückstau des Unterwassers am Schütz auftritt. Bei vollkommenem Ausfluss herrscht direkt nach dem Schütz überkritischer Ausfluss. In Analogie zur Strömung über Wehre berechnet sich der vollkommene Ausfluss Q aus der Bernoulli-Gleichung, Impulssatz und Kontinuitätsgleichung zu

mit μ= Ausflusskoeffizient, b= Schützbreite, a= Schützöffnung.

Schütze sind bewegliche Kontrollbauwerke, d.h., die Schützöffnung a und damit der Ausfluss Q wird verändert und dem tatssächlichen Bedarf angepasst. In der Praxis gibt es deshalb Kennfelder, aus denen der Ausfluss Q abgelesen wird (Abflusstiefen Oberwasser und Unterwasser hu und hd und Schützöffnung a sind gegeben). Ein in der Praxis sehr häufig verwendetes Schütz ist das kreis-förmige Segmentschütz zur Abflusskontrolle. Es kann als Druck- oder Zugschütz ausgeführt sein und ist um einen Lagerpunkt drehbar. Das Segmentschütz wird oft auf der Wehrkrone eines Kontrollbauwerks aufgesetzt. Gerade das Segmentschütz wird nicht nur unterströmt, sondern kann auch überströmt in ein Gerinne eingebaut werden (Radialwehr).

Ausfluss unter Segmentschütz, als Druckschütz ausgeführt

hu Abflusstiefe Oberwasser, a Schützöffnung, hd Abflusstiefe Unterwasser