Hochwasserdynamik & Dammbau

Hochwasserwellen-Ganglinie

Die Ganglinie stellt die Entwicklung des Abflusses eines Flusses in einem bestimmten Flussabschnitt dar. Bei einer Hochwasserwelle kommt es zu einer Umverteilung der Strömung durch die zeitweilige Speicherung von Wasser im Kanal. Dies führt zu einem abgesenkten Abflussscheitel und einer verlängerten Basiszeit der Ganglinie.

Verlagerung der Ganglinie

Die Verlagerung der Ganglinie in der Zeit ergibt sich aus der Laufzeit des Wassers im Flussabschnitt. Beide Phänomene (Umverteilung und Verlagerung) treten gleichzeitig auf und sind physikalisch nicht trennbar.

Berechnungsmethoden

• Hydraulische Methoden: Lösen die Gleichungen der instationären Strömung in offenen Gerinnen. Diese sind komplex und erfordern viele Informationen. Sie werden verwendet, wenn hohe Genauigkeit und Kenntnis des Wasserstands erforderlich sind.
• Hydrologische Methoden: Basieren auf der Kontinuitätsgleichung. Sie vereinfachen das Problem, indem sie die dynamische Gleichung ersetzen. Sie sind einfacher als hydraulische Methoden und werden oft bei der Betrachtung von Rückhaltebecken angewendet.

Rückhaltebecken (Rolling) - Zwei Hypothesen

1. In jedem Augenblick ist der Wasserspiegel über die gesamte Oberfläche des Stausees gleich.
2. In jedem Augenblick hängt der Abfluss nur vom Wasserspiegel, also vom gespeicherten Volumen, ab.

Gleichungen

• Kontinuitätsgleichung: Eine Funktion der Speicherung.
• Speicherfunktion: Das abfließende Volumen hängt nur vom gespeicherten Volumen ab und kann durch den Wasserstand im Reservoir ausgedrückt werden.

Der maximale Abfluss (Q) tritt auf, wenn Zufluss (I) und Abfluss gleich sind (I = Q). Der maximale Abfluss tritt bei maximaler Speicherkapazität auf, da gilt: Q = Q(S). Bei maximaler Speicherkapazität ist dS/dt = 0.

Bezugshöhen

• Ward Normal: Bezogen auf NMN (Normales Mittleres Niedrigwasser). Ausreichend, um Hochwasser abzuleiten. Geringer als die Überhöhung durch Wellen (einschließlich Erdbebenwellen).
• Ward Min: Bezogen auf den NAP (Niedrigster Astronomischer Pegel). Geringer als die Überhöhung durch Wellenbewegung in den Gassen. Berücksichtigt Extremereignisse (NAE - Niedrigster Astronomischer Extrempegel).
• Krone Cota: Maximum (NMN + Ward Normal, NAP + Ward Minimum).
• Ward Normal: Max (Ward Welle, Erdbeben geschützt).
• Ward Minimum: Ward Allee schwillt zu extremer Erschöpfung an.

Dämme

• Keine Unterstützung für aufgeschüttete Dämme durch Windwellen: NC (Kronenhöhe) > NAE + Wellenauflauf durch Wind.
• Schwerkraftdämme: Unbeabsichtigte Ableitungen sind zulässig. NC > Max (NAP + Wellenauflauf durch Wind, NAE).

Dämme aus losen Materialien

Vorteile

• Wirtschaftlichkeit: Geringere Kosten und Bauzeit. Die Entwicklung von Baumaschinen hat diese Art von Dämmen sehr wettbewerbsfähig gemacht.
• Geeignet für geschlossene, offene Täler mit wenig tragfähigem Untergrund.
• Für den Bau werden die besten vorhandenen Baustoffe im Einzugsgebiet des Stausees verwendet.

Nachteile

• Sicherheit: Dämme aus losen Materialien erlauben keine Überströmung der Krone, da dies den Damm untergraben und zum Bruch führen würde.
• Überläufe müssen seitlich angeordnet werden, was die Kosten erhöht.

Arten von Dämmen aus losen Materialien

• Homogene Dämme: Der Damm besteht aus einem einzigen Material, das sowohl die strukturelle Funktion (Stabilität) als auch die Dichtungsfunktion übernimmt. Das Material muss ausreichend undurchlässig sein, um die Bildung von Sickerwegen (Piping) zu verhindern.
  • Eigenschaften:
    1. Reduzierung der Sättigungslinie durch Verringerung des interstitiellen Drucks, was die Stabilität erhöht.
    2. Kontrolle der Sickerstelle, um das Auswaschen von Material aus dem Dammkörper zu verhindern.
• Die talseitige Böschung sollte mit Vegetation gegen Erosion durch Regen geschützt werden.
• Die wasserseitige Böschung sollte bis zu einer Höhe von ca. 20 m gegen die Erosion durch Wellen mit einer Schicht aus Steinschüttung (Rip-Rap) geschützt werden.
• Bermen können in jeder Höhe des Dammes angelegt werden, um Wasser abzuleiten. Sie eignen sich für hohe Dämme, um den Baustellenverkehr zu erleichtern, Reparaturen zu ermöglichen und die Stabilität zu verbessern.
• Heterogene Dämme: Der Dammkörper übernimmt die strukturelle Funktion (Aufnahme und Übertragung von Lasten auf das Fundament). Die Dichtungsfunktion wird einem Kern oder einer undurchlässigen Schicht anvertraut. Diese Dämme bestehen aus zwei oder mehr unterschiedlichen Materialien. Zwischen den verschiedenen Materialschichten müssen Filter eingebaut werden, um das Auswaschen von Feinmaterial und die daraus resultierenden Probleme (z.B. Suffosion) zu verhindern.
  • Undurchlässige vertikale Schirmfilter reduzieren die Durchsickerung unter dem Dammkörper. Die Durchdringung kann teilweise oder vollständig in die durchlässige Schicht erfolgen.
  • Der Sockel unter dem Dammkörper nimmt den Schub und das Gewicht des Wassers auf der wasserseitigen Böschung auf, erhöht die Stabilität des Bauwerks und dient als Verankerung für die undurchlässige Schicht.