SI/502153

Schlussbericht

Zur gefahrlosen Ableitung von Hochwasser an einem Sperrenbauwerk kommen Hochwasserentlastungen (HWE) zum Einsatz. Im Hochwasserfall werden neben Geschiebe und Schwebstoffen meist auch Schwimmstoffe wie Schwemmholz und Zivilisationsmüll transportiert. Verklausen die Schwimmstoffe an Einlaufbauwerken von HWE-Anlagen, kann dies zu Problemen führen. Insbesondere Verklausungen von Schwemmholz an Wehrkronen oder Wehrpfeilern reduzieren die Abflusskapazität der HWE. Wird dabei das erforderliche Freibord infolge des resultierenden Aufstaus nicht mehr eingehalten, kann es gar zur Überströmung des Sperrenbauwerks kommen. Frühere Untersuchungen zum Wasserspiegelaufstau infolge der Verklausung von Schwemmholz konzentrieren sich auf Wehranlagen mit flussähnlichen Zulaufbedingungen und weisen den Wasserspiegelaufstau in Funktion der Zulauf-Froudezahl aus, ein Konzept, das nur bedingt auf Mauerüberfälle mit Reservoirbedingungen anwendbar ist. Ein gezielter Rückhalt von Schwemmholz in ausreichender Distanz zum Wehrbauwerk verhindert einen übermässigen Wasserspiegelaufstau im Speicher, wie es unter anderem mit Schwemmholz-rechen oder ins Oberwasser auskragenden Wehrpfeilern gelingt. Die Literatur gibt eine Empfehlung zur erforderlichen Auskragung der Wehrpfeiler für eine vernachlässigbare Abflussreduktion an einem USACE-Standardwehr. Hingegen wurde die Wirkung unterschiedlich weit in den Stau-raum auskragender Pfeiler auf die Verklausung und den Wasserspiegelanstieg kaum betrachtet und Untersuchungen zur Verklausungen an Pfeilern von Wehren, dessen Profilformen vom Standardwehr abweichen, fehlen gänzlich. Auch sind die Empfehlungen zur Pfeilerauskragung nicht auf unterschiedlich poröse Verklausungskörper bezogen und es liegen keine Gleichungen zur Berechnung des Wasserspiegelanstiegs vor. Die vorliegende Studie der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW) der ETH Zürich befasst sich mit der Verklausungswahrscheinlichkeit von Einzelhölzern an den Wehrpfeilern, dem Schwemmholzrückhalt bei der Durchleitung grosser Schwemmholzgruppen, dem Wasserspiegelaufstau infolge der Verklausung an unterschiedlich stark auskragenden Wehrpfeilern eines mehrfeldrigen, unregulierten Mauerüberfalls einer Talsperre und dessen Beeinflussung durch die Porosität des sich ausbildenden Verklausungskörpers. Die Versuche wurden an einem gegenständlichen physikalischen Modell der Bogenstaumauer des Ausgleichsbeckens Ova Spin der Engadiner Kraftwerke AG (EKW) im Massstab 1:30 durchgeführt. Der Mauerüberfall dieser Talsperre ist durch sechs um 4.4 m auskragende Wehrpfeiler in sieben Wehrfelder unter-teilt. Im Rahmen der Untersuchungen wurden die Pfeilerauskragungen systematisch variiert, die Wehrfeldbreiten angepasst und zusätzlich das bestehende Wehr der Sperre Ova Spin durch ein USACE-Standardwehr ersetzt. Die Verklausungsversuche mit Einzelhölzern gehen auf die erforderlichen Wehrfeldbreiten zur gefahrlosen Durchleitung ein und zeigen, dass die Einzelhölzer im Nahbereich vor der Wehrkrone in Fliessrichtung ausgerichtet und grösstenteils durch die Entlastungsöffnung geleitet werden. Die Schwemmholz am Mauerüberfall von Talsperren Versuche mit Schwemmholzgruppen wurden für unterschiedliche Längenverteilungen durchgeführt. Diese geben Hinweise zur relevanten Stammlänge, die für den Nachweis des Durchleitens eines Schwemmholzteppichs mit heterogener Längenverteilung seiner Stammhölzer anzusetzen ist. Demnach ist als relevante Stammlänge das 90%-Perzentil dem Median und dem Mittelwert der Längenverteilung vorzuziehen. Die Ergebnisse der Versuche zum Wasserspiegelaufstau umfassen Gleichungen zur Abschätzung des charakteristischen Schwemmholzvolumens, welches für den primären Wasserspiegelanstieg infolge der Verklausung der Wehröffnungen verantwortlich ist. Die vorliegende Arbeit liefert zudem Gleichungen zur Ermittlung der Oberflächengeschwindigkeit im Zulaufbereich zur Wehrkrone, der Eintauchtiefe des Verklausungskörpers, der dem Abfluss unter der Verklausung freistehenden Durchflussfläche und des Wasserspiegelaufstaus. Zusätzlich wird der Einfluss der Porosität des Verklausungskörpers auf den Wasserspiegelaufstau aufgezeigt. Bei schmalen Wehrfeldern können auskragende Wehrpfeiler die Funktion eines Schwemmholz-rechens übernehmen. Durch die entsprechende Dimensionierung der Pfeilerauskragung wird der Verklausungskörper in einem Bereich mit geringerer Oberflächenfliessgeschwindigkeit gebildet und dessen Eintauchtiefe entsprechend reduziert. Betragen die Oberflächenfliessgeschwindigkeiten an den Pfeilernasen weniger als 1 m/s, bildet sich ein loser Schwemmholzteppich, ohne Ausbildung eines vertikalen Verklausungskörpers. Die Untersuchungen der VAW zeigen, dass bei einer Auskragung ab Wehrkronenscheitel um das Mass der Überfallhöhe, respektive einem lichten Abstand zwischen dem Verklausungskörper und dem Überfallprofil von mindestens 85% der Überfallhöhe, selbst bei komplett verlegtem, dichtem Verklausungskörper der ungehinderte Abfluss gewährleistet wird. Es kommt somit lediglich zu einer vernachlässigbaren Abflussreduktion der Entlastung. Der Wasserspiegelaufstau infolge Verklausung der Wehrpfeiler kann auch an Wehren mit vom Standardwehr abweichendem Profil abgeschätzt werden, solange die Überfallprofile scharfkantig oder konvex gekrümmt sind und kein breitkroniges Wehr vorliegt.