6 Problematik von Fl ießgeschwindigkeit und Gefälle
6.6 Maßnahmen zur Reduktion der Fließgeschwindigkeit
6.6.2 Energievernichtung im Tosbecken
Die Energievernichtung im Tosbecken ist eine sehr wirkungsvolle Mög lichkeit der Re-duktion der Fließgeschwindigkeit im offenen Gerinne. Es besteht darüber viel Erfah-rung, insbesondere aus den Fachbereichen Wildbachverbau , Flußbau, kulturtechnischer Wasserbau und Kraftwerkbau. Das Prinzip beruht auf der Erzwingung des Überganges vom schießenden zum strömenden Abfluß mit konstruktiven Mitteln . Dieser Vorgang bringt einen Wassersprung mit sich (siehe Kapitel 4.4.5). Falls sich eine Deckwalze voll ausbilden kann, ist die Energievernichtung maximal und dürfte im Bereich von 50 bis 75% liegen. Geschiebe und Geschwemmsel stören meist w enig, und der Unterhalt ist klein. Jedoch ist die Anlage ziemlich teuer.
Die Anlage (Abb. 6.18) ist auf das maximale Dimensionierungshochwasser (030) zu bemessen. Da der Zufluß zur obersten Stufe der „Stufenstrecke" meist schießend ist, hat man bei der ersten Stufe mit großen Sprungweiten zu rechnen. Das Tosbecken ist deshalb genügend lang auszubilden. Die Sprungweiten bei schießendem Abfluß können aus Abbildung 6.19 entnommen werden. Um eine gute Deckwalze zu erhalten, sollte das Tosbecken tief sein und zu diesem Zweck zum Beispiel eine kräftige Gegenschwelle eingebaut, und diese eventuell in die nächstfolgende Sperre integriert werden . Als gene-reller H inweis für die Höhe der Gegenschwelle können d ie folgenden Werte dienen : für
Q..;;;;
0,5 m3/sfür Q
<
2,0 m3/sfür Q 2,0 m3/s
Höhe der Gegenschwelle etwa 0,3 m Höhe der Gegenschwelle etwa 0,5 m
Höhe der Gegenschwelle etwa 0,8 bis 1,0 m
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Problematik von Fließgeschwindigkeit und Gefälle
grosse Zuflussgeschwindigkeit
kleine Zuflussgeschwindigkeit
Abbildung 6.18
Abflusssektion Gegenschwelle
=Sperre
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Tosbeckenanordnung (schematisch) für große beziehungsweise kleine Zuflußgeschwindigkeiten im Kännel: im ersten Falle ist das Tosbecken lang und ziemlich tief und im zweiten Falle ziemlich kurz.
Die weiter unten folgenden Stufen mit Tosbecken können auf kleine Zuflußgeschwindigkeiten bemes-sen werden, falls das Tosbecken der obersten Stufe richtig funktioniert.
Abbildung 6.19
Überfallstrahl bei verschieden stark schießendem Abfluß (6.16). Der Strahl für Fr= 4,0 wurde als Beispiel hervorgehoben. Als Maßeinheit dient die Normalabflußwassertiefe im Oberwasser. x =Distanz von der Absprungstelle, z = Höhe, gemessen ab Absprungstelle (Überfallkante). h = Normalabfluß-wassertiefe.
Außerdem sollte zur Sicherstellung des erforderlichen vollkommenen Überfalles die freie Absturzhöhe zwischen Überfallkante und Unterwasserspiegel für 030 mindestens die halbe Normalabflußwassertiefe des Unterwassers betragen. - Jeder Wassersprung erzeugt Spritzwasser. Ein entsprechender Uferschutz ist vorzusehen.
Abbildung 6.20
Kombination von Sperren und Känneln in wasserdichter Bauweise (schematisch). geeignet für wenig stabiles Gelände; Spritzschutz notwendig.
Ein möglicher Lösungsweg mit vorfabrizierten Känneln ist schematisch in Abbildung 6.20 wiedergegeben. Wird der Kännel nur an der obern Sperre fixiert, bei der untern aber verschiebbar gehalten, so eignet sich die Anordnung auch für krie-chenden Untergrund . Sind die Abstände zwischen den Sperren groß, das heißt, sind die
Kännel lang, dann sollte die Gegenschwelle nicht am Kännelende angebracht werden , sondern im Abstand von mindestens der doppelten Sprungweite des Überfallstrahles, gemessen ab Absprungstelle. Mit viel Spritzwasser ist zu rechnen. Eine Möglichkeit in Rundholzbauweise zeigt schematisch Abbildung 6.21 .
Abbildung 6.21
Abtreppung in Rundholzbauweise. Der Kännel ist in eine kräftige Dichtungshaut eingebettet. Die Gegenschwelle (hier am Kännelende eingezeichnet) wird nachträglich am geeigneten Ort eingesetzt.
Mit Dichtungshaut ist die Anlage wasserdicht, ohne dagegen verliert sie viel Wasser wegen des Rück-staues im „Tosbecken'; Spritzschutz meistens erforderlich.
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Problematik von Fließgeschwindigkeit und Gefälle 115
Hinsichtlich Gerinnedichtigkeit können 3 Typen unterschieden werden:
E nerg ievern ich tu ng bei wasserdichter Entwässerung:
Die gesamte Tosbeckenkonstruktion ist eine wasserdichte Einheit. Es empfehlen sich hiefür vorfabrizierte Elemente in Holz, Beton, Blech oder Kunststoff, je nach Größe und Wasserabfluß. Solche Elemente sind im Handel nicht erhältlich. Außerdem ist der in Abbildung 6.21 angegebene Rundholztyp verwendbar.
Energievernichtung bei undichter Entwässerung:
Falls es zulässig ist, Wasserverluste hinzunehmen, ist der bekannte „Wildbachverbautyp"
für Kleingerinne aus Holz oder eventuell Drahtsteinkörben (Gabions) angemessen.
Aus dem Wildbachverbau ist jedoch bekannt, daß Verbaustrecken permanent Wasser verlieren, insbesondere im Kalkbereich. In Lehmgebieten führt dies zu vermehrtem Kriechen im näheren Bachbereich. Man hat deshalb gut zu prüfen, ob solche Wasser-verluste toleriert werden können (Abb. 6.22).
Abbildung 6.22
Streichschwellen je nach Bedarf 1 oder 2 Balken hoch evtl.
verstärkt mit zusätzlichem Uferschutz
Beispiel eines Sperrenverbaues für kleine, steile Bäche in verhenkter Bauweise. Diese Verbautechnik ist altbewährt.
Abbildung 6.23
Drainage über /Wasserspiel von 030
Ausbilden einer Abtreppung bei begrenzt zugelassenen Wasserverlusten. Es empfiehlt sich, pro Stufe 2 parallele Drainagerohre einzubauen. Die Kolktiefe kann durch den Einbau von großen Steinen in Grenzen gehalten werden, doch braucht es zur Erzielung einer guten Energievernichtung eine genü-gend tiefe Kolkwanne.
Energievernichtung mit begrenzten Wasserverlusten:
Man kann unter dieser Voraussetzung in lehmigen Böden den üblichen Wildbachverbau-typ verwenden, jedoch hat man den Untergrund der Gerinneverbauung zu drainieren, so daß das einsickernde Wasser zum größern Teil wieder aufgefangen werden kann (Abb. 6.23). Hierbei ist die Drainage so hoch einzubauen, daß bei Hochwasser mög-lichst kein Rückstau durch das Unterwasser entsteht (Bewässerungswirkung). Außer-dem empfiehlt es sich, im Kolkbereich über der Drainage eine Filtermatte oder ein Filternetz einzulegen oder die Drainagerohre mit einem „Filterstrumpf" zu überziehen, dies zur Vermeidung eines hydraulischen Grundbruches in Richtung Drainage. - Für strömenden Zufluß können Kolktiefe und Kolkform in nichtkohärenten Materialien mit Hilfe der im Wildbachverbau üblichen Methoden bestimmt werden (6.17). Für schießenden Zufluß bestehen bis heute keine Kolkgleichungen. In letzterem Falle empfiehlt es sich oft, ein erosionsfestes Tosbecken einzubauen.