Flussbau
Flussbau; ETHZ Master, Vertiefung Wasserbau G.R. Bezzola
Flussbau; ETHZ Master, Vertiefung Wasserbau G.R. Bezzola
-
- 1 / 253
-
Cartes-fiches
Voraussetzung zur Bildung einer Pflästerungsschicht ist eine enstprechende Breite der Kornverteilung des Sohlenmaterials.
Abpfästerung nur möglich, wenn für die Standardabweichung des Kornverteilung gilt: \(\sigma =\sqrt{{d_{84}\over d_{16}}}\geq1.5\)
Keinen genauen Transportbeginn
Rückrechnung auf Ausgangsmaterial anhand der Deckschicht
\(\Delta p_{A\ i}\): Anteil der Konrfraktion i an der Ausgangsmischung des Unterschichtmaterial
\(\Delta p_{D\ i}\): Anteil der Konrfraktion i an der Kornverteilung der Deck- oder Pflästerungschicht
\(q_i\): Wahrscheinlichkeit des Liegenbleibens des Korns mit dme Korndurchmesser dmi bei gegebender Strömungsbeanspruchung
\(\Delta p_{D\ i}={q_i\Delta p_{A\ i}\over {\sum_{1}^{N}}q_i\Delta p_{A\ i}}\)
mittlere Wahrscheinlichkeit des Liegenbleibens für die Körner der Deckschicht die Beziehung:
\(\bar q={\sum_1^Nq_i^2\Delta p_{A\ i}\over {\sum_{1}^{N}}q_i\Delta p_{A\ i}}={\sum_{1}^{N}}q_i\Delta p_{D\ i}\)
an und definierte den Grenzzustand der Stabilität der Pflästerungsschicht als \(\bar q =0.5\). Die Pflästerungsschicht für den Zustand des maximalen Vergröberung muss mit dem Verfahren nach GESSLER iterativ gesucht werden. \(\tau_0\) muss variert werden bis q=0.5 oder der massgebende mittlere Durchmesser muss einen maximalen Wert erreichen. \(d_{m\ D}={\sum_{1}^{N}}d_{mi}\Delta p_{D\ i}\)
Ansatz für die Berechnung der Pflästerungsschicht im zustand der maximalen Vergröberung
nach FEHR
\(\Delta p_{i}'={d_{mi}\Delta p_{A\ i}\over {\sum_{1}^{N}}d_{mi}\Delta p_{A\ i}};\ und\ p_{D\ i}=0.1+0.9\sum_1^i \Delta p_{i}'\)
Ansätze von GESSLER und FEHR
Mittels Ansätzen, die beobachtete Kornverteilung der Deckschicht für den Zustand der maximalen Vergröberung recht zuverlässig beschrieben werden kann.
Charakterische Krondruchmesser d90 des Unterschichtmaterial als grobe Näherung für dmD verwendet werden kann
Stabilität der Pflästerungsschicht
Für grosse Kornreynoldszahlen wird die Grenzbelastung der Pflästerungsschit durch die Beziehung \(\Theta _{c\ D}=\Theta _{c} \Big({d _{m\ D}\over d_{m}}\Big)^{2/3}\)
\(\Theta _{c\ D}\): ist die dimensionslose kritische Schubspannung der Pflästerungsschicht
\({R_SJ\over (s-1)d_m}=\Theta _{c} \Big({d _{m\ D}\over d_{m}}\Big)^{2/3} \approx \Theta _{c} \Big({d _{90}\over d_{m}}\Big)^{2/3} \); Stabilitätsgrenze erreicht wenn \(\Theta =\Theta _{c\ D}\) (dm auf der linken Seite der Gleichung bezieht sich auf das Unterschichtmaterial
- die gröberen Partikel mit einem massgebenden Durchmesser D decken den feineren Untergrund, der aus Partikeln mit einem massgebenden Durchmesser d besthet, vollständig ab
->Erosionswiderstand ist massgebend für Stabilität der aufgebauten Sohle
\(U_{*\ D}=\sqrt{\Theta _cg(s-1)D}\)
oder
- die gröberen Partikel sind in lockerer Konzentration im feineren Umgebungsmaterial verteilt
Lose Anordnung von groben Partikeln auf einem feinen Untergrund
Folgende Fälle werden bezüglich Bewegungsbeginn unterschieden
- Die hydraulische Beanspruchung ist kleiner als der Widerstand der stark exponierten gröberen Partikel und auch kleiner als jener der feinen Körner ->Alle Körner sind in Ruhe \(U_{*}< U_{*\ D\ exp};\ und\ U_{*}< U_{*\ d}\)
- Die hydraulische Beanspruchung ist grösser als der Widerstand der stark exponierten gröberen Partikel, jedoch geringer als der feinen Körner -> Die groben Partikel gleiten über den feineren Untergrund ab \(U_{*\ D\ exp}\leq U_{*}\leq U_{*\ d}\)
- Die hydraulische Beanspruchung ist kleiner als der Widerstand der stark exponierten gröberen Partikel, jedoch grösser als jener der feinen Körner -> Die groben Partikel sinken in den feineren untergrund ein \(U_{*\ d}\leq U_{*}\leq U_{*\ D\ exp}\)
- Die hydraulische Beanspruchung ist kleiner als der Widerstand der stark exponierten gröberen Partikel und auch grösser als jener der feinen Körner ->Alle Körner sind in Bewegung \(U_{*\ d} < U_{*}\ und\ U_{*\ D\ exp}>U_*\)
Gerinnestabilität
Grenzwerte für den Widerstand werden als dimensionslose kritische Schubspannung angegeben. Dieser soll nun ein Grenzabfluss zugeordnet werden
Beanspruchung der Sohle und der Böschung eines Gerinnes quantifizieren und Widerstand gegenüberstellen
Sind die Beanspruchung und der Widerstand glelich gross, so sind der Grenzzustand und damit der Grenzabfluss für das Einsetzen des Transports (bzw. der Erosion) erreicht
Stabilität der Gerinnesohle
Die mit dem hydraulischen Radius berechnete Sohlenschubspannung \(\tau _0=\rho gR_SJ\), bzw. die auf den Krondurchmesser dm des Unterschichtsmaterial bezogene dimensionslose Schubspannung \(\Theta _{m}={R_SJ\over (s-1)d_m}\) repräsentieren den über die Breite der Sohle gemittelten Wert der Beanspruchung.
Einsetzen der Erosion der Sohle über die gesamte Flussbreite \(Q_{D\ max}\)
\({R_SJ\over (s-1)d_m}=\Theta _{c} \Big({d _{m\ D}\over d_{m}} \Big)^{2/3} \approx 0.05 \Big({d _{90}\over d_{m}} \Big)^{2/3} \)
Der Abfluss entspricht dem Grenzzustand, bei welchem mittlere Sohlenschubspannung = kritische Schubspannung für Aufbrechen Deckschicht
Einsetzten der Erosion im zentralen Bereich des Gerinnes \(Q_{D\ min}\)
\({hJ\over (s-1)d_m}=\Theta _{c} \Big({d _{m\ D}\over d_{m}} \Big)^{2/3} \approx 0.05 \Big({d _{90}\over d_{m}} \Big)^{2/3} \)
Der Abfluss entspricht dem Grenzzustand, bei welchem maximale Sohlenschubspannung = kritische Schubspannung
Die Breite auf welcher Erosion einsetzt ist duch folgende bedingung gegeben: \(A_S=R_Sb=h{b+b'\over 2}\) und daraus \(x = {-b \pm \sqrt{b^2-4ac} \over 2a}b'=b \Big(2{R_S\over h}-1\Big)\)
Stabilität der Uferböschungen
Schubspannung im Bereich Böschung annähernd prpoprtional der lokalen Wassertiefe
Tatsächliche Verteilung zeigt gegenüber Vereinfachung leichte Abnahme der Böschungsschubspannung.
Maximum wird in einer Höhe von ca. 0.2-0.3 h erreicht
\(\tau_{B\ max}\approx 0.77\rho g h J=0.77\tau _0\)
Grenzabfluss wird anhand eines Vergleiches von Schubspannnung und dem Widerstand des Böschungsmaaterials \(\tau_{c\gamma}=\Theta _{c\gamma} \ g(\rho _s-\rho)d\); wobei \(\Theta _{c\gamma} \) die dimensionslose kritische Schubspannung des Böschungsmaterials bezeichnet.
Krümmungen führen zu Fliessgeschwindigkeitserhöhung an der Kurvenausseinseite (Prallufer) und zu einer verkleinerung an der Kurveninnenseite (Gleitufer)
Böschungsschubspannung abhänig vom Verhältnis rm/b, wobei r Krümmungsradius der Flussachse
SIMONS UND LI empfehlen zudem Böschungsschubspannung um Faktor m zu vergrössern. \(\tau _{B\ max\ K} \approx m\tau _{B\ max}\)
Gleichgewicht der Kräfte \(\rho g y \Delta z J=\tau _z{\Delta z \over cos\gamma}\) für einen Streifen
wobei für \(\tau _z= \rho g y Jcos\gamma\) somit wird die Böschungsschubspannung mit der maximale Sohlenschubspannung in Gerinnemitte \({\tau _z\over \tau _0}={y \over h_{max}}cos\gamma\)
Das Verhältnis der kritischen Schubspannungen eines Krons in der Böschung und eines Korns in der Sohle unter Vernachlässigung des hydrodynamischen Auftriebs \({\Theta_{c\gamma}\over \Theta_{c}}=cos\gamma \sqrt{1-{tan^2\gamma\over tan^2\Psi}}\) => Gleichsetzten des Schubspannungen und der kritischen dimensionslosen Schubspannung ergibt den Grenzzustand, in welchem das Ufer und die Sohle gerade noch stabil ist. Ebenfalls ergibt sich daraus das Verhältnis der lokalen Fliesstiefe y an der Stelle z zur Fliesstiefe in Gerinnemitte die Beziehung \({y\over h_{max}}= \sqrt{1-{tan^2\gamma\over tan^2\Psi}}\)
Durch umformen und einsetzen der Definitionen ergibt sich schlussentlich die Breite des Uferbereichs \({b_W\over 2}={\pi h_{max}\over 2tan\Psi}\); das 1/2 auf der linken Gleichungsseite zeigt an, dass es einen linken und einen Rechnten Teil des Uferbereichs gibt. Diese Berechnung ist also lediglich für eine Seite.
Sohlenformen
mehrheitlich zweidimensionale Strukturen, welche ganze Sohle bedecken
Fliessgeschwindigkeit massgeblich von diesen Formen abhängig
Klassifikation
3 Kategorienvon Sohlenformen
- Mikroformen (Riffeln)
- Mesoformen (Dünen und Antidünen)
- Makroformen(Bänke)
Treten primär in sandführenden Flüssen auf.
Bei Riffeln und Dünen erfolgt Sedimentabtransport auf Luv-Seite, Ablagerung in Strömungsschatten. Sohlenformen wandern flussabwärts. Antidünen scheinen sich Flussaufwärts zu bewegen.
Riffeln, Dünen und Antidünen werden auch als Transportkörper bezeichnet.
Mikroformen - Riffeln
Grösse Riffeln primär von Korngrösse des Sohlenmaterials abhängig nicht von Wassertiefe
Einföuss auf Strömung etwa 3xh
Wasseroberfläche bleibt weitgehend ungestört
Mesoformen - Dünen und Antidünen
charakteristische Längenabmessung ein vielfaches des Wassertiefe
Störung der Strömung wirkt sich bis Wasseröberfläche aus.
Makroformen - Bänke
Kies- und Sandbänke
charakteristische Längsabmessung, mehrfaches der Gerinnebreite.
Entstehung eng mit Gerinnebildung verbunden
Relevante Parameter betreffend Sohlenformen
Auftreten der verschiedenen Sohlenformen
BOGÁRDI
Ableitung seiner Abgrenzkriterien
- Die Höhe \(\Delta\) der Sohlenlage bestimmt die Lage der für die hydraulische Berechnung massgebenden Sohlenlage. Dieser Bezugshorizont wird als eine halbe Transportkörperhöhe \(\Delta /2\) über dem tiefsten Sohlenpunkt definiert.
- Die Länge \(\Lambda \) und die Höhe \(\Delta\) der Sohlenform sind masgebend für den als Formrauigkeit bezeichneten Anteil des Fliesswiderstands der Sohle
Riffeln
\(\Lambda \approx 1000d\)
Steilheit definiert durch \(\Delta /\Lambda \), sollte ~0.2 und hydraulische Belastung von \({\Theta/\Theta_c}\) von ~5-6, damit wird die Riffelhöhe \(\Delta \approx 200d\)
max. Korndurchmesser von ca. 0.6mm damit Riffeln noch möglich sind.
Dünen
charakteristisch für strömende Abflüsse mit Froudzahl Fr<1
Mit Sandsohlen (d=0.2mm) Dünenhöhe bei \(0.15h<\Delta <0.3h\); bezieht sich auf Mittelwertder Transportkörperhöhen.
Dünenlänge bei \(6.3h<\Lambda <20h\); Mittelwert liegt zwischen 8 und 10 h
Maximale Steilheit \( \Delta /\Lambda \), sollte ~0.06 und hydraulische Belastung von \({\Theta/\Theta_c}\) von ~10-20,
Antidünen
ab Froudzahl 0.8
Wellen können instabil werden und brechen.
dimensionslose Wellenzahl: \(\xi =2\pi{h\over\Lambda}\); wobei für die maximale Froudzahl, bei der zweidimensionale Sohlenformen noch möglich sind, gilt: \(Fr^2_{max}={1\over \xi}\); minimale Wert zur bildung von Antidünen \(Fr^2_{a}={tanh\xi\over \xi}\)
In alluvialen Flüssen charakteristischer Bereich von Fr<1.5, nimmt die Wellenzahl einen Wert von 0.5 bis 1.0 an. ür Froudzahlen von 0.84-1.5 ergeben sich so für Antidünen Wellenlängen von (6-12)h. Die Steilheit von Antidünen ist ähnlich wie bei Dünen, kann aber auch Werte bis etwas 0.2 errreichen. Die charakteristische Höhe von Antidünen ist somit von der gleichen Grössenordnung wie die Abflusstiefe h.
Rauigkeitsüberlagerungsmodell
Wird der Gesamtwiderstand in Form der Sohlenschubspannung angegeben, so lassen sich folgende Teilwiderstände unterscheiden.
\(\tau_0'\): die Schubspannung infolge des Widerstands der individuellen Körner an der Sohlenoberfläche; Kornrauigkeit
\(\tau_0''\): die Schubspannung infolge der durch die Sohlenunebenheiten und Hindernissen verursachten Verluste; Formrauigkeit
Somit gilt für die Sohlenschubspannung \(\tau_0=\tau_0'+\tau_0''\)
\(\Delta H''={q^2\over 2g}\Big[{1\over h-\Delta /2}-{1\over h+\Delta /2}\Big]^2={U_m^2\over 2g}\Big({\Delta \over h}\Big)^2\) , als die Energiehöhendiffernez infolge der Erweiterung des Abflussquerschnitts nach einer Düne
Formrauigketisgefälle: \(J''={\Delta H''\over \Lambda}={1\over 2}{\Delta ^2\over h\Lambda }Fr^2\)
Kornrauigkeitsgefälle: \(J'=J-J''=J-{1\over 2}{\Delta ^2\over h\Lambda }Fr^2\)
Sedimentführung in Abhängigkeit der Parameter Abfluss, Gerinnegeometrie und Korngrösse zu beschreiben.
So existiert eine Vielzahl von Ansätzen zur Bestimmung der Sedimenttransportkapazität. Damit wird die Masse an Feststoffen pro Zeit bezeichnet, die durch ein Gerinne abtransportiert werden kann, so dass im betreffenden Gerinneabaschnitt weder durch Erosion zusätzliches Material aufgenommen, noch durch Sedimentation ein Teil des transportierten Marerials abgelagert wrid.
Nach verlassen der Ruhelage kann ein Korn
und die Distanz die pro Bewegung in einem Bewegungszyklus zurückgelegt werden kann.
- rollen; mehrfaches eines Krondurchmessers
- hüpfen; mehrfaches eines Krondurchmessers oder
- schweben; mehrfaches der Abflusstiefe
Bewegungen und ihre Eigenschaften
- rollende Fortbewegung charakteristisch für grosse Korndurchmesser und grosse Exposition
- hüpfende Bewegung; grosser Anstellwinkel, Weitertransport als nur eine Hüpfbewegung sehr abhängig von der turbulenz in der Strömung
Nach HAYAMI kann als Grenzbedingung für den Übergang zwischen der Geschiebebewegung und dem Suspensionstransport ein Verhältnis zwischen der Fall- oder Sinkgeschwindigkeit v_s der Korns und der Schubspannungsgeschwindigkeit U_* ca. 0.3 betrachtet werden. \({v_S\over U_*}\approx 0.3\)
KRESSER definierte das Grenzkorn mittels: \(d_{grenz}\approx {U_M^2\over 360\ g}\)
CELIK UND RODI geben als Grenzwert die dimensionslose Schubspannung an mit \(\Theta _{grenz}={0.15 \over R_*}; R_*={U_*d\over\nu}\leq 0.6\) und \(\Theta _{grenz}=0.25 \ für\ ; R_*={U_*d\over\nu} > 0.6\)
Allen Geschiebetransportformeln gemein ist, dass sie die Brechnung der maximal möglichen Geschiebetransportrate erlauben, die bei gegebenem Gefälle, Abfluss für eine bestimmte Korngrösse, bzw.Kornverteilung möglich ist
Die maximal mögliche Geschiebetransportrate wird als Geschiebetransportkapazität bezeichnet.
Falls transportiertes Geschiebe aus einem Gemisch von Körnern mit unterschiedlichen Durchmessern besteht, die Berechnung unter Verwendung eines massgebenden Krondurchmesser erfolgt, welcher das Krongemisch repräsentiert. Gedanklich wird also eine transportierte Mischung durch ein Material mit einheitlicher Korngrösse ersetzt.
=> Einkornformeln