Flussbau
Flussbau; ETHZ Master, Vertiefung Wasserbau G.R. Bezzola
Flussbau; ETHZ Master, Vertiefung Wasserbau G.R. Bezzola
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Lernkarten
Transportformeln werden aus Messungen abgeleitet, die mehrheitlich aus Laborversuchen stammen.
Um die Ansätze auf die Natur zu übertragen, wird Versucht die Beziehungen in dimensionslosen Parameter darzustellen. Welche Parameter werden verwendet?
dimensionslose Schubspannung: \(\Theta = {R_SJ\over (s-1) d_m}\)
dimensionslose Transportrate \(\phi _b={g_b\over \rho _s \sqrt{(s-1)gd_m^3}}\); wobei gb die spezifische Geschiebetransportrate ist [kg/m s], das b steht ebenfallf für bedload
DU BOYS hat erste Versuche rechnerisch zu erfassen versucht
Ansatz nach heutigem Wissen falsch, aber Grundform vieler heute gebräuchlicher Geschieberansportformeln
'überschüssige' Schubspannung verbleibt für Transportbeginn
MEYER-PETER UND MÜLLER
fand bereits kurz nach erstmaliger Veröffentlichung grosse internationele Verbreitung und zählt noch heute zu den am meisten verwendeten Transportformeln
Originalansatz: \(\gamma {Q_S\over Q}\Big({k_{St\ S}\over k_{St\ r}}\Big)^{3/2}hJ=0.047\gamma _s''d_m+0.25\Big({\gamma \over g}\Big)^{1/3} g_b''^{2/3}\)
Es ist zu beachten, dass diese Formel aus verschiedenen Teilen zusammengesetz ist:
\(\Big({k_{St\ S}\over k_{St\ r}}\Big)^{3/2}\): Reduktionsfaktor infolge Sohlenformen
\({Q_S\over Q}h=R_S\)
\(\gamma {Q_S\over Q}\Big({k_{St\ S}\over k_{St\ r}}\Big)^{3/2}hJ\): Netto Schubspannung
\(0.047\gamma _s''d_m\): kritische Schubspannung
\(0.25\Big({\gamma \over g}\Big)^{1/3} g_b''^{2/3}\): für den Transport zur Verfügung stehende Spannung
MEYER-PERTER UND MÜLLER
(Teil 2)
Alle Glieder sind in den dimensionen einer Schubspannung gehalten. Somit kann die Formel auch als \(\tau '=\tau _c+\tau _g\) ausgedrückt, und als Kräftegleichgewicht des rollenden Korns interpretiert werden.
Idealer Anwendungsbereich für die Formel sin dkiesführende Flüsse mit einem Gefälle unter etwa 0.5 %, bei steileren Gefällen wird Transportkapazität überschätzt
Kapazität Gb des Gesamtquerschnitts
Multiplikation von spezifischer Rate gb mit der Sohlenbreite b =>Gb
Bei breiten Profilen und variabler Abflusstiefe wird die Geschiebetransportkapazität mittels Streifenmethode ermittelt und Rs mit hmi ersetzt. Anwendbarkeit der Streifenmethode sind dieselben.
SMART UND JÄGGI
Aus Versuchen mit kiesigem Material und bei Gefällen zwischen 3 und 20 %
Anwendbarkeit über grossen Gefällsbereich. Sollte für Gefälle von 0.5 bis 20 % angewendet werden
Originalschreibweise: \(q_b= {4\over (s-1)}\Big({d_{90}\over d_{30}}\Big)^{0.2}J^{0.6}q_S(J-J_c)\)
\(J_c={\Theta _c (s-1)d_m\over R_S}\): kritisches Gefälle, nach SHIELD für Transportbeginn.
Umformen und Beziehungen einsetzen: \(q_b= {4\rho _S\over (s-1)}\Big({d_{90}\over d_{30}}\Big)^{0.2}J^{1.6}R_SU_m\Big(1-{\Theta _c (s-1)d_m\over R_S}\Big) \)
Formel sollte für grössere Gefälle korrigiert werden; Multiplikation von spezifischer Rate gb mit der Sohlenbreite b =>Gb (Geschiebetransportkapazität)
RICKENMANN
Basiert auf Versuchen mit kiesigem Material bei Gefällen zwischen 7 und 20 %
Durchführung auch in Tonsuspensionen; Anwendung wenn grosse Anteile Feinmaterial im Wasser
\(g_b= 3.1 \rho _s \sqrt{g}d_m^{3/2}\Big({d_{90}\over d_{30}}\Big)^{0.2}\sqrt{\Theta}(\Theta -\Theta_c)Fr^{1.1}\)
Anwendungsbeirech bei 0.2 bis 20 % Gefälle, wobei die realtive Überdekung \({R_S\over d_m}\approx 200\) nicht darüberhinaus extrapoliert werden sollte
vereinheitlichen eines Krongemisches impliziert, dass
- alle Kornfraktionen als vollständig mobil betrachtet werden und
- Gleichgewichtsbedingungen vorliegen, d.h der Anteil jeder Fraktion in der transportierten Mischung gleich dem Anteil der entsprechenden Fraktion im Sohlenmaterial ist
Bei vollständiger Moniliät würden sich die Körner fdr Fraktion i mit einem mittleren Korndurchmesser dmi innerhalb der Mischung gleich verhalten, wie innerhalb eines gleichkörnigen Sediments, das nur aus Körnern mit dem Durchmesser dmi besteht. die kritische Schubspannung wäre überall gleich gross. Dies führt schlussendlich zu \({\tau_{ci}\over \tau_{cm}}={d_{mi}\over d_{m}}\)
Berechnung des Geschiebetransports für eine Fraktion i
Entsprechen der zugrunde liegenden Konzepts der vollständigen Mobilität liefert die Berechnung des Transports unter Verwendung des massgebenden Korndurchmessers d_m sowie die fraktionsweise Berechnung das gleiche Resultat
Sortierungs- und Entmischungsprozesse zur Bildung einer Deckschicht können nicht abgebildet werden bei vollständiger Mobilität, das diese weit oberhalb der Grenzbelastung. => Korrektur erforderlich
unterschiedlihce Mobiliät äussert sich durch: feinere Körner 'verstecken' sich zwischen Grösseren und görbere Körner aus den feineren herausragen und somit stärker der Strömungs ausgesetzt (exponiert) sind
Geschiebetransport fester Sohle
ca. doppelt so gross wie alluvialer Sohle (1.8x)
Nach SMART UND JÄGGI; fester und glatter Sohle mit Gefälle zwischen 3 und 20 %
\(g_b= {7.35\rho _S\over (s-1)}\Big({d_{90}\over d_{30}}\Big)^{0.2}J^{1.6}R_SU_m\Big(1-{\Theta _c (s-1)d_m\over 1.5R_SJ}\Big) \)
Folgt auf eine alluviale Strecke eine Bachschale, muss das Gefälle der Schale mindestend 0.7-mal dem Gefälle der alluvialen Strecke entsprechen, damit durchgehen die gleiche Transportkapazität vorhanden ist. (1.4 mal vince versa)
Bestimmung der Schwebstoffführung aus Messungen
Annahme: suspendierte Partikel mit der gelichen mittleren Gschwindgkeit wie das Wasser unterwegs=> Multiplikation der lokalen Konzentration mit der lokalen Fliessgeschwindigkeit zunächst Massenfluss und daraus durch Integration über Fliessstiefe die SChwebstoffführung bestimmen
Schwebstoff- und Geschiebetransport
In alpinen und voralpinen Fliessgewässern ist die tatsächliche Schwebstofführung überlicherweise durch die Zufuhr und die mit den hier präsentierten Berechnungsansätzen bestimmte Schwebstofftransportkapazität nur in den seltenen Fällen erreicht
Messunge der Sedimentenführung
Momentanwert durch Messung von Transportraten oder als integrierter Wert durch Bestimmung von Sedimentfrachten
Echolotaufahmen (Sand)
Fangkorb (Kies)
akustische Vorrichtungen oder Geschiebewaage
Fliessgewässer in abschnitte unterteilt, in welchen ähnliche Charakteristiken gelten
- Längsgefälle
- Brite der Flussohle
- Konverteilung des Sohlenmaterials
- Form Querprofil
- Beschaffenheit Ufer
- annähernd Normalabfluss
Geschiebefunktion
- ermittlung Pegel-Abfluss-Relation
- hydraulischer Radius
- mittlere Fliessgeschwindigkeit
- spezifische Geschiebetransportrate und Geschiebetransportkapazität
Q0 entspricht dem Grenzabfluss, bei welchem der Geschiebetransport einsetzten kann. Bei diesem Abfluss ist die mittlere Sohlenschubspannung gleich der kritischen Schubspannung für den Transportbeginn des massgenenden Korns mit dem mittleren Durchmesser
Geschiebefunktion bei breiter Kronverteilung
Pflästerungsschicht verhindert Erosion, auch wenn Q0 bereits erreicht.
Falls Geschiebezufuhr von oberhalb, wird dieses Material über die Pflästerungsschicht transportiert
bei fehlender Zufuhr findet kein Transport statt
Vereinfacht können somit eine obere und eine untere Grenze für die Geschiebeführung definiert werden. Maximum bzw. Minimum der Transportkapazität umschrieben
Zerkleinerungsmechanismen
- Zertrümmerung durch Schläge oder Stösse
- Sprengung als Folge von Temperatureinwirkung
- Abschliff (Sandstrahleffekt)
- Abrieb
Einen wesentlichen Einfluss auf die Abriebfestigkeit der Geschiebekörner haben die Form und die Petrographie
STERNBERG
Massenverlust eines Kornes entlang einer Streck proportional der über die Strecke geleistete Arbeit
\(-dM=a_MMdx\)
negativ, da kron kleiner wird. aM steht für den Abriebskoeffizienten (im Alpenrhein zwischen 0.01-0.02 1/km
durchi integration d(x0)=d0: \(d=d_0\ e^{-a_M ({x-x_0\over 3})}\), dies führt zu Geschiebeführung \(GF=GF_0\ e^{-a_M ({x-x_0\over 3})}\)
latente Erosion
Zustand wird auch als pseudostatisches Gleichgeweicht bezeichnet
Erosion durch görbere Pflästerungsschicht verhindert. Transport nur von eingebrachtem Material
Gleichgewichte
Dynamisches Gleichgewicht: Ganz generell kann somit von einem dynamischen Gelcihgewichtszustand gesprochen werden, wenn die Sohlenlage in einem Fluss über eine längere Stecke allein durch eine im Einklang mit der Transportkapatzität stehende Zufuhr stabil gehalten wird.
Scheinbares und temporäres Gleichgewicht: Auch im Fall des scheibaren und des temporären Gelichgewichts bezieht sich der Gleichgewichtsbegriff primär auf das Verhalten der Flussohle und weniger auf die Geschiebeführung.
primäre(Ausweitung des ursprünglich schmaleren Profils) und sekundäre Ufererosion
sekundäre Ufererosion (Gerinneverformungen , die zur Bildung von Mäandern oder verzweigten Gerinnen)
Gerinnebreite, keiseiger Untergrund, primäre Erosion
Breite als Funktion folgender Parameter
- bettbildender Abfluss Q
- Kornzusammensetzung des Untergrunds
- Längsgefälle J
Ansätze zur Berechnung in regim und schleppkraft-Theorie vorhanden
schrägbänke und alternierende Bänke werden ebenfalls als Transportkörper bezeichnet.
übrige Bankformen dominiert Ablagerung und Seitererosion
Bänke sind nicht Zeichen einer Auflandung. Prozesse der Auflandung und Bankbildung haben nicht dirket miteinander zu tun. Bänke können sich auch in Erosionsstrecken bilden.
Entstehung Kiesbänke im engen Zusammenhang mit sekundärer Ufererosion
Gerinneformen:
- gerade
- mäandirierend (gewunden) und
- verzweigt