Flussbau

Flussbau; ETHZ Master, Vertiefung Wasserbau G.R. Bezzola

Flussbau; ETHZ Master, Vertiefung Wasserbau G.R. Bezzola


J. S.
Diese Lernkarten behandeln flussbauliche Maßnahmen und Konzepte auf Universitätsniveau. Sie konzentrieren sich auf die Sicherung von Ufern, die Berechnung von Abflusstiefen und Geschwindigkeiten sowie die Gestaltung von Gerinnen. Themen wie Blockwurf, Bolcksatz und die Berechnung von Kolktiefen werden detailliert erläutert. Die Lernkarten sind besonders nützlich für Studierende und Fachleute im Bereich der Wasserwirtschaft, die sich mit der Stabilität und dem Schutz von Flüssen befassen.
Flashcards
253
Students
1
Language
German
Category
Nature Studies
Level
University
Created / Updated
05.02.2019 / 13.01.2020

Flashcards

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

  • \(\tau '\): treibende Komponente
  • \(\tau _c\): rückhaltende Komponente
  • \(\tau _g\): für den Transport massgebende Komponente

Kann auch geschrieben werden als: \(g_b= {8\sqrt{g}\rho _s\over (s-1)} \bigg[\Big({k_{St\ S}\over k_{St\ r}}\Big)^{3/2}R_SJ- 0.047 (s-1)d_m\bigg]^{3/2}\)

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

hiding Funcion

korrekturfunktion für Korngemische

dürfen nur auf Formel angewendet werden, mit der sie entwickelt wurden. Weitere Anpassungen falls ein neuer Ansatz geählt wird.

\(g_{bi}= {8s\over (s-1)g\sqrt{\rho}}\Big[{\tau _0'-\varepsilon_i\tau_{c\ i}}\Big]^{3/2}\Delta p_i\)

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)

Konzentrationsprofil

Massenflüsse bei Suspensionstransport 

\(\varepsilon _s\): turbulente Diffusionskoeffizient des Sedimentteilchen, wobei \(\varepsilon _s=\beta \varepsilon _y\); beta ist dabie das Verhältnis der Diffusionskoeffizienten des Sediments und des Wassers, Wert nahe 1

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

Berechnung der Schwebstofftransportkapazität

Schwebestofftransportformel von EINSTEIN

Parameter P, dimensionslose Geschwindigkeitsverteilung: \(P=2.3log\Big({30.2\chi h\over d_{65}}\Big)\)

\(\chi\): Korrekturfaktor, für hydraulisch raue Verhältnisse gilt chi=1

Mächtigkeit a der Geschiebetransportschicht setzt EINSTEIN die Beziehung a=2dm an.

Gesamttransportkapazität (Schwebestoffe und Geschiebe)

 

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 kleinen Abflusstiefen- zu Breitenverhältnissen

Rs=h 

Transbortbeginn in der Mitte des Gerinnes

Schubspannung als Trapezförmig angenähert

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

Geschiebefracht

Geschiebeführung und Ablagerung in Teilabschnitten

stark vereinfachte Kurve. Ablagerung und Erosion zu Beginn des Abschnittes grösser und nimmt gegen Ende des Abschnittes ab.

Veränderung Sohlenlage

drei grundlegende Fälle der abschnittweisen Geschiebefrachten

  • Auflandungsstrecken
  • Erosionsstrecken
  • Gleichgewichtsstrecke

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.

Zwei Betrachtungsweisen in Bezug auf Sohlen- und Gerinneformen von Fliessgewässern

  • Regime-Theorie: mit grosser zahl von Beobachtungen und Messungen
  • Schleppkraft-Theorie: mit Hilfe physikalischer Grundgesetze

Sohlen- und Gerinneformen

Übersicht

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

Bankformen (Makroformen)

Grössenordnung der Flussbettbreite

Folgende Erschienungsformen sind bekannt:

  • stationäre Bänke in Flussbiegungen
  • stationäre Bänke bei Zusammenflüssen 
  • Schrägbänken
  • alternierende Bänke
  • Mittelbänken in breiten Flüssen

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

 

Abgrenzung der Gerinneformen

ANDERSON, PARKER

Beurteilung der Auftretens von alternierenden Bänken

Beschreibung alternierende Bänke

in der Regel resultiert bei Trapezprofilen etwas gereingere Kolktiefen

Study