Flussbau
Flussbau; ETHZ Master, Vertiefung Wasserbau G.R. Bezzola
Flussbau; ETHZ Master, Vertiefung Wasserbau G.R. Bezzola
Normalprofil
Sind Abflussregim, Sedimentparamter, Linienführungund damit auch Längsgefälle gegeben, wird anhand der Gerinnebreite und der Gestaltung der Uferbereiche die Transportkapazität des Gerinnes bestimmt. Diese muss auf die Zufuhr in die bertrachteten Flusstrecken abgestimmt sein, um eine stabile Sohlenlage zu gewährleisten.
4 typische Bereiche
variables Normalprofil
- flachese Abschnitte
- steilere Abschnitte
Unterschiedliche Aufweitungen:
- lang
- kurz
Vorteil: hohoe Durchgängigkeit (Längsvernetzung)
Breite Strecken wirken als Speicherstrecken, vermögen Shwankungen in der Geschiebezufuhr zu dämpfen, in aufgeweiteten Abschnitten bilden sich Bänke, verzweigte Gerinnestrukturen -> grosse Strukturvielfalt
flussbauliche Massnahmen und bauliche Elemente
wichtigeste und gebräuchlichsten massnahmen
- Sicherung der Ufer vor seitlichen Erosion
- Verhinderung der Eintiefung des Sohle durch vertikale Erosion und
- Verhinderung von Sohlenhebungen duch Ablagerungen
Blockwurf und Bolcksatz
Blockwurf: Uferböschung flächig abgedeckt, Ufer vor Erosion schützen; Wurf, da Blöcke mehr oder weniger zufällig platziert werden; häufig mehrlagig
Bolcksatz: Blöcke sorgfälltig platziert; meist nur einlagig
Blockwurf und Bolcksatz
Blockwurf: Uferböschung flächig abgedeckt, Ufer vor Erosion schützen; Wurf, da Blöcke mehr oder weniger zufällig platziert werden; häufig mehrlagig
Bolcksatz: Blöcke sorgfälltig platziert; meist nur einlagig
Bemessung nach MAYNORD
massgebende Geschwindigkeit UB kann in einem geraden Flussabschnitt duch die mittlere Fleisgeschwindigkeit Um im Profil angenähert werden.
Beiwerte: Dicke der Blockwurfs, Bolckdichte, Böschungsneigung
massgebende Sohlenlage und Fundationstiefe
tiefer als massgebende Sohlenlage
Nachrutschen in Betrach ziehen und damit rechen, dass ein Stein/Block weggeschwemmt wird. Kann Destabilisierung entgegenwirken
Sicherung Böschungsfuss
Voricht Geotexti, dass es bei Einbau nicht beschädigt wird und sich nicht zu starr verhält
Ingenieurbiologische Bauweisen
Grundsätzliches
- Wirkung: Wurzeln wie Armierungim boden, erhöhen den Erosionswiderstand, kleinere hydraulische Belastung, in bestocktem Bereich wird Sedimentation gefördert.
- Abflusskapazität
- Unterhalt
- Einbau: Durch temporäre Massnahmen gesichert, damit nicht ausgeschwemmt
Einsatz von Lebendverbau
Was muss berücksichtigt werden
- die maximal zu erwartende Strömungsbelastungen (ausgedrückt durch due Schubspannung \(\tau\) oder die Fliessgeschwindigkeit Um
- die Dauer der Überflutung
Ingenieugbiologische Bautypen
- Steckhölzer (Fugenbepflanzung bei einem Blocksatz)
- Spreitlage
- Rasen
- Reisiglage
- Faschinen
- Gitterbuschbau
- Raubäume
Buhnen und Leitwerke
Buhnen sind dammartige Querbauwerke, die im natürlichen Ufer oder in Längsdämmen verankert werden
- das Gerinne auf einen für Nieder- und Mittelwasserabflüsse sowie den Geschiebetransport wirksame Breite eingeengt
- die Strichlinie, d.h. der Übergang zu den grösseren Fliessgeschwindigkeiten im Abflussquerschnitt vom Ufer gegen den Fluss hin verschoben und
- die Ufer entlastet und vor Erosion geschützt
Berechnung der Abflusstefe h und des Abflusses Q in einem Gerinne, dass durch Buhnen eingeengt ist
- unbekannte Abflusstiefe schätzen
- mittlere Geschwiendigkeit aus Kontinuitästgleichung
- Widerstandsbeiwert nach DARCY-WEISBACH
- Abflusstiefe berechnen
- Falls 1.=5. fertig, ansonsten neu schätzen und von vorne
Rampen; drei mögliche Versagensmechanismen
- direkte Erosion der Blöcke aus dem Verband der Rampe
- indirekte Erosion durch Ausspülung des feinkörnigen Untergrund, verbunden mit einem Abgleiten oder Einsinken de Blöcke
- Abgleiten des Rampenfusses in den Kolk unnd dadurch Auflösung des Rampengefüges
lockere oder dichte Bauweise
Berechnung Rampen
konstante Breite in geradem Gerinne
Sicherung Rampenkrone
Sicherung Rampenfuss
Traversen
offenes Deckwerk
ephemer Fluss
Fluss führt nur Wasser wenn es regnet.
Diese Flüsse weisen keinen Basisabfluss auf.
Aufgaben eines Fliesgewässers
- Fliessgewässer prägen die Gestalt der Erdoberfläche
- Fliessgewässer transporieren Wasser und Feststoffe
- Fliessgewässer bilden und vernetzen Biotope
- Fliessgewässer mit ihrer Selbsbtreinugungskraft spielen eine wichtige Rolle im Ökosystem
- Fliessgewässer bieten Erholungsraum
- Fliessgewässer dienen als Transportwege
- Fliessgewässer sind Rohstofflieferanten
- Fliessgewässer dienen der Energieproduktion
- Fliessgewässer dienen der Bewässerung
- Fliessgewässer dienen der Trinkwasserversorgung
fluviale Erosion und Akkumulation
Denudation
Intensität und Ausmass nehmen mit zunehmender Wassermenge zu.
Abtrag der Oberfläche
Fliessgewässer transportieren Wasser und Feststoffe
Durch Verwitterung und Erosion endstandenen Feststoffe möglichst schadlos abtransportieren
Schutz vor Hochwasser und Murgängen und Massnahmen zu dessen Reduktion wichtige gesellschaftspolitische und volkswirtschaftliche Aufgabe
Fliessgewässer sind Rohstofflieferanten
Entnahme von Rohstoffen wie Sand, Kies aus Bächen oder Flüssen
Kiesentnahme kann Geschiebehaushalts sowie morphologische Entwicklung (Veränderung Form und Gestalt eines Flusslaufes) verändern.
Aufgaben Flussbau
- Schaffung und Gewährleistung einer ausreichenden Abflusskapazität (Schutz Überflutung)
- Gewährleistung einer ausreichenden Gerinnestabilität (horizontal und vertikal)
- Gewährleistung der ökologischen Funktionen der Gewässer
Rechtliche Grundlagen
Hochwasserschutz ist Aufgabe der Kantone!
- Bundesgesetz über den Wasserbau (WBG)
- ergänzende Verordnung über den Wasserbau (WBV)
- Bundesgesetz über die Raumplanung (RPG)
- Bundesgesetz über den Schutz der Gewässer (GSchG)
- Bundesgesetz üder die Fischerei (BGF)
- Bundesgesetz über den Natur- und Heimatschutz (NHG)
- Bundesgesetz über den Wald (WaG)
- Bundesgesetz über den Umweltschutz (USG)
- Bundesgesetz über die Jagd und den Schutz wildlebender Säugetiere uind Vögel (JSG)
- Bundesgesetz über Fuss- und Wanderwege (FWG)
- Bundesgesetz über die Nutzbarmachung der Wasserkräfte (WRG)
- Bundesgesetz über die Landwirtschaft (LwG)
- Bundesgesetz über due Enteignung (EntG)
- Bundesgesetz über Finanzhilgen und Abgeltungen (SuG)
- Bundesgesetz über die Verwengung der zweckgebundenen Mineralölsteuer (MinVG)
- Öko-Qualitätsverordnung (ÖQV)
konzedierte Rechte
Das von lateinisch concedere mit der ursprünglichen Bedeutung „beiseitetreten“ abgeleitete Verb wird mit -e- in der zweiten Silbe geschrieben.Vgl. aber: konzipieren, Konzipierung usw.
Beispiel
man konzedierte [ihnen], dass sie wegblieben; jemandem bestimmte Verhaltensweisen konzedieren
Schwerbstoffführung wichtige Rolle bei:
- der Deltabildung in Seen
- der Verlandung von STauräumen
- der Spülung verlandeter Stauräume (erhöhte Schwebstoffkonzentrationen gefährden den Fischbestand)
- der Verschlammung pberschwemmter GEbiete
- der Abdichtung des Gerinnes (Kolmation)
- der Verlandung von Altarmen und Buchten in Seen
- der Abnützung von Bauwerken im Fluss sowie von Turbinen (Abrasion)
Verantwortlich für Trübung des Wassers
Erosion und Auflandung breiten sich, ausgehend von einem Fixpunkt der Sohle flussaufwärts aus. Als Fixpunkte dienen:
- Einmündungen von Wildbächen
- Felsaufschlüsse im Bereich der Flussohle
- Seen oder Meere
- Bauwerke wie Wehre, Sohlschwellen oder Abstürze
Verhalten Fliessgewässerstrecke durch weitere Parameter
- Sedimentführung
- Korngrösse
- Längsgefälle
- Flussbreite
Verbreiterung eines Gerinnes
-> grössere Breite
-> Abflusstiefe nimmt ab
-> Fliesgeschwindigkeit nimmt ab
-> Transportvermögen nimmt ab, Sedimente können nicht alle weiter transportiert werden, Es kommt zu Auflandung
Hochwasser oft infolge Starkniederschlägen
Hoher Abflusswert in kleinen Bächen, überlagern sich in grösseren Flüssen, es kommt zu Hochwasser
Ganglinie wegen Form auch Hochwasserschwelle genannt.
Nebst Spitzenabfluss, ist auch Wasserfracht eine wichtige Kenngrösse
hydrologisches Risiko
Die Wahrscheinlichkeit q_m, dass eine Spitze mit einer bestimmten Jährlichkeit n innert einer Periode von m Jahren eintritt.
in einem Jahr q=1/n; wobei n die Jährlichkeit (# Jahre)
Gegenwahrscheinlichkeit 1-q
q_m= 1 - (1-q)^m = 1 - (1-1/n)^m
Wesentliche Elemente im hochwasserschutz
- Die Gefahrenanalyse
- Die Differenzierung der Schutzziele
- Die Massnahmenplanung
Abflussspitze Q
Schadensgrenze Q_A
Gefahrengrenze Q_B
Schadensgrenze: bezeichent Abfluss, bei welchem zu schützende Objekte keinen Schaden nehmen
Gefahrengrenze: bezeichnet Abfluss, dessen Überschreitung zu einem unkontrollierten Abfluss führen kann. Die Sicherheit der zu schützenden Objekte ist nicht mehr gewährleistet
Abflüsse zwischen Q_A und Q_B führen zu begrenzten Schäden, dabei sollen weder schutzbedürftige Objekte noch SChutzbauten zerstört werden.
Szenarien verbunden mit verschiedenen Prozessen und massgebenden Parameter
Ausuferung: austrettendes Wasservolumen und Dauer der Überflutung massgebend.
Erosion und Auflandung: Spitzenabfluss, Grösse und Dauer in der der Abfluss über dem Schwellenwert liegt
Murgänge: Volumen oft häufiger als Abflussspitze
Die definitiven Schutzziele werden im Rahmen der Massnahmenplanung unter sorgfältiger Abwägung aller Interessen iterativ festgelegt.
Querprofile werden immer mit Blick in ... dargestellt
in Fliessrichtung.
alluviale Sohle
Teil des Profils in welchem Transport von Geschiebe erfolgt und isch durch Tiefenerosion oder Auflandung Sohlenveränderungen ergeben können
Bestimmung mittlere Sohlenlage
vereinfachung mittels ebener Sohle
Querneigung nicht über 10°, sollte einige Dezimeter differen zwischen y_max-y_min nicht überschreiten.
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Cartes-fiches
Mäanderdrierendes Gerinne und dessen Eigenschaften
natürliche Gerinneform steilerer Flüsse mit intensiver Gschiebeführung
verzweigter Zustand
Kolktiefen und Bankhöhen
grösste negative bzw. positive Abweichung deinen Sohlenpunktes von der mittleren Sohle
Kolkarten spielen dabei keine Rolle: Zusammenflusskolk, Krümmungskolk, Kolk infolge Umlenkung oder an einer festen Berandung
optimale Breite bei maximaler Transportkapazität
Kolk; räumlich begrenzte Erosionen des Flussbetts. eine lokal erhöhte Erosionsintensität resultiert infolge:
- erhöhter Strömungsgeschwindigkeit
- erhöhter Turbulenz
- Sekundärströmungen
Kolke werden aber auch durch Einbauten wie Verengungen, Wehre, Abstürtze, Brückenwiderlager und Brückenpfeiler sowie Buhnen verursacht.
Drei Arten von Kolk
- durch einen vertikalen Strahl (Überfälle)
- durch horizontalen Strahl (Anschluss an ein Tosbecken)
- morphologische Kolke (Flusskrümmungen, Strecken mit alternierenden Bänken oder verzweigten Gerinnen)
Kolk durch Vertikalstrahl
es bilden sich vier charakteristische Wasserwalzen
Berechnung nach KOTOULAS sowie TSCHOPP UND BISAZ
Benötigte Parameter
\(q\): spezifischer Abfluss
\(\Delta h\): Höhendifferenz
\(d_{90}\): charakteristischer Korndurchmesser des Untergrundmaterials
Kolkwassertiefe \(T=S+h_u\)in m für den all ohne Geschiebezufuhr
Vorsicht Gültigkeitsbereich; vollkommener und unvollkommener Überfall werden unterschieden
unvollkommener Überfall
Abflusstiefe im Überfallquerschnitt grösser als die kritische Tiefe und im Unterwasser stellt sich nicht ein Tauchstrahl ein.
Strömungsverhältnisse eher der Situation bei einem Horizontalstrahl
Kolk eher weniger Tief
\(T'=S'+h_u\approx 0.84(S+h_u)\)
Annäherung Unterschied (Energielienien) Wasserspiegellagen von Ober- und Unterwasser
Kolk durch Horizontalstrahl
Aussen nicht massgebend, sehr vereinzelt.
zweite von Aussen: instabile Form
Untersuchungen mehrheitlich auf grau hinterlegte Formen
Anschluss an einen Fallboden, falch geneigte Rampe oder auch eine unvollkommener Überfall
Übergang von schiessendem zu strömendem Abfluss
Kurvenkolk
Abschätzung Wasserspiegelüberhöhung
Berechnung von Dämmen oder sonstigen Schutzbauwerken, Sicherheitszuschlag von 1.5
Sohlenverlauf Kurvenkolk
Querverlauf der Sohle im stationären Zustand
\(h=h_m\Big({r \over r_m}\Big)^K\)
Für K existieren verschiedene Ansätze
Kolktiefe
Eintiefung bei Verengung
Eintiefung durch vermehrten Abfluss, da alles duch Engstelle und vergrösserte Fliessgeschwindigkeit oder
Eintiefung duch zustätzlich, lokalen Kolkungen an dem in den Flussquerschnitt vorspringenden Hindernis infolge Umlenkung der Strömung.
Kolk an Einbauten
Kolk bei Beginn Geschiebetransport auf max. Tiefe, Gerade nach Beginn wird Kolk leicht reduziert
Kolk an Widerlagern und Buhnen
Parameter Definitionen der neueren Ansätze zur Berechung von Kolk
Berechnung der Kolktiefe
Ansatz von MELVILLE
Berücksichtigung verschiedener Wirkungen verschidener Einflüsse durch Überlagerung der entsprechenden Einflussfaktoren
- berücksichtigen der wichtigsten Einflussgrössen: h und L die Grundtiefe \(K_{y\ L}\) des Kolks bestimmen
- Einflüsse der Zuströmung, der Kornverteilung des Sohlenmaterials, der Form und der Anordnung des Bauwerks sowie der Gerinnegeometrie duch empirisch ermittelte Einflussfaktoren Ki quantifiziert.
- Kolktiefe: \(S=K_{y\ L}K_IK_dK_S^*K_\delta ^*K_G\)
Grundtiefe ist abhängig von h/L
Einflussfaktoren MELVILLE
- Anströmgeschwindigkeit (Strömungsintensität, KI): unterschiedliches Kolkverhalten bei: Reinwasserbedinungen oder bei Geschiebetransport
- Korndurchmesser Kd: Definiert durch L/d50>25
- Bauwerkform K*s: abhängig von L/h
- Ausrichtung des Bauwerks K*_delta: abhängig von L/h
- Gerinnegeometrie KG: vorallem dann wichtig, wenn Vorlandabfluss ganz abgelenkt werden muss (Brücke)
HOFFMANS Ansatz für den Fall mit Geschiebetransport
Einführen eines Verbauungsgrades m=L/b
Formel besteht aus zwei Teilen; Kolktiefe infolge Verengung und zweite Term für Kolktiefe am Bauwerk
Ansatz vonHUNZINGER für verzweigte Gerinne
kolkbildung an Buhnen in verzweigten Gerinnen
Buhnen können aufwenigeren Längsverbau ersetzten
Keine klare Uferlinie idendifizierbar
mittlere Kolktiefe an Buhnen in verzweigten Gerinnen rund 1.5 bis 2.0 mal grösser als Tiefen der morphologischen Kolke; maximale Kolktiefen lediglich 1.3
Pfeilerkolk
Kolktiefe=Gundtiefe*Einflussfaktoren
Verteifung um den Pfeiler ist eine Folge des Kolkes nicht eine Ursache. Hufeisenartige strömung löst sich ab und führt entlang des Pfeilers
Ansatz nach MELVILLE: \(S=K_{y\ L}K_IK_dK_SK_\delta \); Kolktiefe an einem Pfeiler der Breite D
Für freistehenden sylindrischen Pfeiler, häufiger Fall Pfeilerdurchmesser kleiner als 0.7h => max. Kolktiefe ca. 2.5*D
Einflussfaktoren nach MELVILLE Pfeilerkolk
\(S=K_{y\ L}K_IK_dK_SK_\delta \)
- Anströmgeschwindigkeit (Strömungsintensität, KI): unterschiedliches Kolkverhalten bei: Reinwasserbedinungen oder bei Geschiebetransport
- Korndurchmesser Kd: Definiert durch D/d50>25 (D=Pfeilerbreite)
- Pfeilerform Ks: abhängig von D/h
- variable Pfeilerbreite
- Treigut
- Anströmwinkel, Ausrichtung de Pfeileres K_delta: abhängig von D/h
- Gerinnegeometrie; unbedeutend, solange für S verwendete Abflusstiege und Fliessgeschwindigkeit die Zuströmbedinungen des Pfeilers chrakterisieren
Dimensionierung oder Sicherung eines bauwerkes sind alle Erosions und Kolktypen einzurechen
Flussbauliche Konzepte:
Stabiles Gerinne, dabei über ausreichende Kapazität verfügen, um anfallendes Wasser und die zugeführten Sedimente schadlos abführen
bei frühe grosse Korrektionsprojekten standen Aspekte des Hochwasserschutzes deutlich im Vordergrund
Bei Projektierung heutiger projekte muss folgenden Kriterien Rechnung getragen werden:
- naturnahe Gestaltung, natürlich
- Gewährleisten einer vielfältigen Struktur des Gewässersohle und Uferbereiche
- Längsvernetzung
- Quervernetzung
- Reduktion Nährstoffeintrag (Pufferzone /-Streifen)
- Förderung Selbstreinigungskraft Fliessgewässer
Massnahmentypen
Unter Gerinneausbau werden alle Massnahmen verstanden, welche die Abflusskapazität eines bestehenden Gerinnes steigern, dessen Stabilität gewährleistuen und somit eine gefahr- und schadlose Ableitung der Hochwasserabflüsse und der anfallenden Feststoffe gestatten
reiner Hochwasserschutz
Mit der reinen Hochwasserkorrektion wird die in alluvialen Ebenene vorhandene Aufteilung zwichen Flussgerinne und Überschemmungsgebiet beibehalten. Durch die Eindämmung werden die potenteillen Überflutungsflächen und damit auch die Retentionswirlung bei Hochwasser reduziert
Der Vorteil des Doppelprofils liegt dabie in der weitgehenden Entflechtung der Kapazitäts- und der Stabilitätsproblematik.
Auf den Vorländers: i.d.R. infloge geringere Abflusstiefen-> geringere Geschwindigkeit und Schleppkräfte. Grasnarbe soll als Erosionsschutz dienen
Freibord
Freibord f ist der Abstand zwischen dem Wasserspiegel und der Oberkante des Ufers oder der Unterkante einer Brücke.
Freibord nach KOHS detailiertere und neuere Empfehlung der Kommission für Hochwasserschutz des Schweizerischen Wasserwirtschaftsverbands
Freibord: \(f_{e}=\sqrt{f_{w}^2+f_{v}^2+f_{t}^2}\)
w: Unschärfen in der Bestimmung der Wasserspiegellage
v: Wellenbildung und Rückstau an Hindernissen
t: zustätzlich benötigtem abflussquerschnitt für Treibgut unter Brücken
Raumbedarf von Fliessgewässern
- Breite der natürlichen Gerinnesohle
- Breite des Uferbereiche (Schlüsselkurve)
- Erholungsraum
- Pendelband
- Siedlungsbereich
Uferstabilisierung/Gerinnestabilisierung
horizontale und vertikale stabilität
Gestaltung Flussabschnitte
- langer Abschnitt im dynamischen Gleichgewicht
- Folge von kürzeren Abschnitten im dynamischen Gleichgewicht und von Fixpunkten
- total augebauter Abschnitt
- periodische Trendumkehr
Normalprofil
Sind Abflussregim, Sedimentparamter, Linienführungund damit auch Längsgefälle gegeben, wird anhand der Gerinnebreite und der Gestaltung der Uferbereiche die Transportkapazität des Gerinnes bestimmt. Diese muss auf die Zufuhr in die bertrachteten Flusstrecken abgestimmt sein, um eine stabile Sohlenlage zu gewährleisten.
4 typische Bereiche
variables Normalprofil
- flachese Abschnitte
- steilere Abschnitte
Unterschiedliche Aufweitungen:
- lang
- kurz
Vorteil: hohoe Durchgängigkeit (Längsvernetzung)
Breite Strecken wirken als Speicherstrecken, vermögen Shwankungen in der Geschiebezufuhr zu dämpfen, in aufgeweiteten Abschnitten bilden sich Bänke, verzweigte Gerinnestrukturen -> grosse Strukturvielfalt
flussbauliche Massnahmen und bauliche Elemente
wichtigeste und gebräuchlichsten massnahmen
- Sicherung der Ufer vor seitlichen Erosion
- Verhinderung der Eintiefung des Sohle durch vertikale Erosion und
- Verhinderung von Sohlenhebungen duch Ablagerungen
Blockwurf und Bolcksatz
Blockwurf: Uferböschung flächig abgedeckt, Ufer vor Erosion schützen; Wurf, da Blöcke mehr oder weniger zufällig platziert werden; häufig mehrlagig
Bolcksatz: Blöcke sorgfälltig platziert; meist nur einlagig
Blockwurf und Bolcksatz
Blockwurf: Uferböschung flächig abgedeckt, Ufer vor Erosion schützen; Wurf, da Blöcke mehr oder weniger zufällig platziert werden; häufig mehrlagig
Bolcksatz: Blöcke sorgfälltig platziert; meist nur einlagig
