Talsperren-Entlastung: Typen, Komponenten und Energieableitung

Klassifizierung der Entlastungsbauwerke (Drainagebauwerke)

Es gibt drei Typen von Entlastungsbauwerken:

1. Die Hochwasserentlastung (Spillway): Leitet den Überschuss ab, wenn das Reservoir voll ist.
2. Die Entnahmebauwerke (Intakes): Dies sind die Elemente, die der Wasserversorgung dienen (Lieferung, Bewässerung usw.), entsprechend der Nachfrage, für die die Behälter entworfen wurden.
3. Die Grundablässe (Bottom Outlets): Ermöglichen die Entleerung des Reservoirs aus unterschiedlichen Gründen:
   • Um einen Polder (Hochwasserschutzraum) im Tank vor einer Hochwasserperiode zu schaffen.
   • Um Bodensedimente abzuziehen und die Verlandung des Reservoirs zu verhindern.
   • Für die Wartung des Dammes.

Drei Hauptteile der Hochwasserentlastung

Es gibt drei Hauptteile:

1. Die Überlaufschwelle (Weir/Lip): Das Element zur Steuerung des Abflusses. Die Schwelle kann als fest oder durch Tore reguliert ausgeführt werden.
2. Der Entlastungskanal (Chute/Rapid): Dies ist ein Kanalsystem, das schnell läuft und das Wasser zurück in den natürlichen Wasserlauf leitet.
3. Die Elemente der Rückgabe an den Kanal: Diese ermöglichen den Rückfluss in den Kanal und die Ableitung der kinetischen Energie, die durch den Fall am Damm entsteht. Dies verhindert die Erosion des Kanals und Schäden an der Staumauer.

Das Wehr (Weir) und seine Funktion

Das Wehr ist der Teil der Hochwasserentlastung, der den Abfluss kontrolliert, d. h. er beeinflusst die Entwässerung und somit die Kapazitätskurve. Es enthält folgende Elemente:

1. Anströmungsbereich (Approach Area).
2. Kontrollsektion: Die Wandstärke kann aus einem strengen Profil oder einer dicken Wand bestehen.
3. Strömungsführungselemente: Diese dienen zur Realisierung von Öffnungen (z. B. Trennwände) und unterstützen die Dammkrone.
4. Regulierungselemente: Tore (Schützen).

Klassifizierung der Überlaufschwellen

1. Feste Überlaufschwelle (Fixed Lip)

Der Vorteil ist, dass keine Mechanismen beschädigt werden können.

Wehr mit angepasstem Deckenprofil (Ogee-Wehr)

Diese Wehre basieren auf einem Profil, das sich an die Unterseite des dünnen, gut belüfteten Wasserstrahls anpasst. Dies ermöglicht die Führung des Wasserstrahls stromaufwärts des Wehres ohne praktischen Auftrieb. Solche Profile werden als streng betrachtet und für einen bestimmten Auslegungsabfluss berechnet. Bei niedrigeren Abflüssen liegt der Wasserfilm in der Regel auf dem Profil auf, wobei der Druck größer als der atmosphärische Druck ist. Bei höheren Durchsätzen neigt der Wasserstrahl dazu, sich abzulösen, was zu Unterdrücken (Vakuum) auf dem Profil führt, bis die Strömung groß genug ist, um den Wasserstrahl effektiv zu trennen.

Wehr mit dicker Wand (Broad-Crested Weir)

Die Schwelle ist lang genug, um eine flache, nahezu parallele Strömung zu etablieren. Am Schwellenwert tritt das kritische Strömungsregime auf.

2. Regulierte Überlaufschwelle (Gated)

Bietet ein zusätzliches Volumen des Stausees, das im Falle von Überschwemmungen durch einen geeigneten Betrieb des Entlastungskanals schnell entleert werden kann.

Der Entlastungskanal (Schussrinne)

Der Kanal ist ein System, das schnell läuft und das Wasser zurück in den natürlichen Wasserlauf leitet. Bei seiner Gestaltung sind vor allem die Oberflächenwellen zu berücksichtigen, die durch Verengungen oder Erweiterungen des Querschnitts sowie durch Pfeiler und Widerlager entstehen. Zur Kontrolle dieser Wellen kann die Sohle (Solera) geneigt und die Strömung durch Leitelemente (Schikanen) geführt werden. Es muss gewährleistet werden, dass keine Ablösungen oder Unterdrücke in der Entwässerungsrinne entstehen. Der theoretische Pfad der Strömung im freien Fall sollte unterhalb der Rinne liegen.

Energieableitungselemente (Energiedämpfung)

Energieableitungselemente:

1. Tosbecken (Stilling Basin): Dämpft Energie durch den hydraulischen Sprung. Die Struktur ist teuer, aber sicherer.
2. Ski-Sprungschanze (Flip Bucket/Trampolin): Wirft das Wasser auf einen Felsen, wodurch die Energie durch die Verformung des Felsens gedämpft wird. Die Baukosten sind niedriger, erfordert jedoch hochwertiges Gestein.
3. Untergetauchte Ski-Sprungschanze (Submerged Flip Bucket): Dies ist eine Zwischenlösung, bei der der Aufprall geringer ist. Bei höheren Durchflussraten muss zur Sicherstellung der Bildung des hydraulischen Sprungs die nachgeschaltete Wassertiefe größer sein als die erforderliche konjugierte Tiefe. Dafür muss die Abflusskurve des Flusses berücksichtigt und mit der Höhe der Beckensohle gespielt werden, um die gewünschte Sicherheit zu erhalten. Wenn die Abflusskurve unbekannt ist, wird die kritische Tiefe am Ausgang des Beckens angenommen.

Merkmale und Komponenten des Grundablasses

Merkmale des Grundablasses: Entleert Behälter aus unterschiedlichen Gründen: Um einen Polder im Tank vor einer Hochwasserperiode zu schaffen. Um Bodensedimente abzuziehen und die Verlandung des Reservoirs zu verhindern. Für die Wartung des Damms.

Teile des Grundablasses

Teile des Grundablasses:

• Einlaufbauwerk mit Schutzgitter.
• Übergangsbauwerk am Einlauf.
• Kofferdamm-Verschluss (für Reparaturen).
• Kanäle/Leitungen (bei zwei Dämmen immer unabhängig). Rohrbögen und Übergänge müssen geometrisch korrekt ausgeführt werden.
• Sicherheits- und Regelventile (oder Schieber).
• Schussrinne (Chute).
• Auslaufbauwerk (Wiederherstellungsarbeiten).

Das Einlaufbauwerk (Mund)

Das Einlaufbauwerk ist trichterförmig, um Verluste zu reduzieren. Zusätzlich sollte ein Gitter vorhanden sein, um Treibgut aufzufangen. Das Gitter muss so bemessen sein, dass die Eintrittsgeschwindigkeit zwischen den Stäben maximal 0,5 m/s beträgt.

Howell-Bunger-Ventile (Hohlstrahlschieber)

Das Öffnen und Schließen erfolgt durch Verschieben eines koaxialen Rohrkörpers, sodass die Strömung der Bewegung des Schiebers nicht entgegenwirkt. Sie sind die am häufigsten verwendeten Regelventile. Die Emission in die Atmosphäre ist vorzuziehen. Wenn die Entlastung untergetaucht angeordnet ist, erfordert dies eine Ablenkhaube, um Luft in die Strömung zu bringen.

Klassifizierung der Kanäle

1. Entwässerungskanäle (Evakuierungskanäle)

Müssen die schnellstmögliche Entwässerung ermöglichen, ergänzen die natürlichen Wasserwege und dürfen nicht mit steilen Hängen, hohen, schnellen und variablen Strömungsgeschwindigkeiten entwickelt werden.

2. Wassertransportkanäle (Versorgungskanäle)

Dienen dazu, Wasser von der Quelle zum Ort des Verbrauchs zu leiten. Charakteristik: Sanfte Hänge, geringe Strömungsgeschwindigkeit. Sie sind an die Trasse der Höhenlinien angepasst. Langsames und gleichmäßiges System: Bewässerungskanäle, Versorgungskanäle, Kanäle der Übertragung zwischen Becken.

3. Kraftwerkskanäle (Fahrrinnen)

Charakteristik: Sanfte Hänge, niedrige Durchflussrate. Sollten Manöver von Schiffen ermöglichen. Langsames System. Der Druckabfall in der Druckrohrleitung ist immer größer. Diese Kanäle sind unverzichtbare Begleiter der zugehörigen Trasse.