Wasserbauliches Versuchswesen

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Title
Wasserbauliches Versuchswesen
Alternative Title
Hydraulic Engineering
Author
Contributors
License
CC Attribution 4.0 International:
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Identifiers
IWF Signature
C 13223
Publisher
Release Date
2010
Language
German
Producer
IWF (Göttingen)
Production Year
2008

Technical Metadata

IWF Technical Data
Video-Clip; F, 16 min

Content Metadata

Subject Area
Abstract
Die Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) ist eine wissenschaftliche Beratungs- und Forschungseinrichtung der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung (WSV) und ist im Bundesverkehrsministerium (BMVBS) angesiedelt. Sie arbeitet und forscht mit hochentwickelten Modell- und Messtechniken. In einem Modell der Elbe bei Schönberg untersucht man die Strömung an Buhnen und in den Buhnenfeldern. Die 3-D-Partikel-Tracking-Velocimetrie (PTV) erfasst Geschwindigkeiten und die Lage der Wasseroberfläche. Im Modell der Oder bei Hohenwutzen werden unterschiedliche Buhnengeometrien für eine Verbesserung der Schifffahrtsverhältnisse untersucht. Mit photogrammetrischen Vermessungen während des Versuchs entstehen dreidimensionale Bilder der auf der Flusssohle wandernden Sandbänke. Auch Bauwerke, wie Staustufen und Schleusen, werden im Modell untersucht. Das Modell der Staustufe Obernau am Main dient Untersuchungen, die die Auswirkungen baulicher Maßnahmen für die Schifffahrt bei Hochwasser erfassen. Aufbau und Funktionsweise eines Schlauchwehrs verdeutlicht ein Prinzipmodell. Sparschleusen in Kanälen reduzieren den Wasserverbrauch beim Schleusen. Die BAW optimiert auch die Funktionsweise der Sparschleuse Minden vor ihrem Bau im Modell.
The Federal Waterways Engineering and Research Institute (BAW) is the central technical and scientific governmental agency of the German Federal Waterways and Shipping Administration (WSV) which is part of the German Federal Ministry of Transport, Building and Urban Affairs (BMVBS). This institute works with and does research on highly developed modelling and measuring techniques. In a model of the Elbe River near Schönberg the BAW investigates current flows behind groynes and in groyne fields. 3D Particle Tracking Velocimetry (PTV) records velocities and the conditions of the water surface. In the model of the Oder River near Hohenwutzen different groyne geometries are examined for improving the navigation conditions. Photogrammetric measuring during the experiment creates 3D images of the dune movement on the riverbed. The BAW also examines structures such as barrages and locks in models. The model of the weir Obernau (on the Main River) shows the effects of structural measures on navigation during high water. A principle model illustrates the mode of operation of an inflatable weir. Recuperation locks into canals reduce the water consumption. The BAW optimizes the functionality of the recuperation lock Minden in a model before construction is begun.
Keywords Wirbel Strömungsverhalten Stromregelung Geschiebetransport physikalisches Modell Sparschleuse Schlauchwehr Schleuse Staustufe Photogrammetrie Buhnengeometrie Schifffahrt PTV Partikel-Tracking-Velocitimetrie Buhne Elbe Modell Wasserbau hydraulic engineering model Elbe groyne particle-tracking-velocitimetry PTV shipping groyne geometry photogrammetry retaining dam lock recuperation lock inflatable weir physical model sediment transportation river regulation flow vortice
Seeschiff Systems <München> Discharge (hydrology) Groyne Fließgeschwindigkeit
Hydraulic engineering Hochwasserabfluss Messtechnik Hall
Metre Schuhsohle Discharge (hydrology) Velocity Groyne Strömung
Bewegliche Sohle Messtechnik Strömung
Roof Food storage
Polystyrene
Vortex Material
Strömung Bridge circuit
Schuhsohle Deformation
Hydraulic engineering Lock (water transport) Bauwerk Fortification Kraftwerk Surveying
Anlage <Unterhaltungselektronik>
Metre Schuhsohle Lock (water transport) Lock (water transport) Fortification Längen
Measurement
Kamera
Strömungsgeschwindigkeit Anlage <Unterhaltungselektronik> Monitor
Measuring instrument Ultrasound
Measuring instrument
Electronic component Former Plane (tool) Ultrasound
Barrage (dam) Anlage <Unterhaltungselektronik>
Schlauchwehr Weir Fountain pen
Hose (tubing) Röhr <Marke>
Ship Sanitary sewer Lock (water transport) Lock (water transport) Barrage (dam) Hose (tubing) Lock (water transport) Wasserverbrauch Bauhof
Sanitary sewer Dye Lock (water transport) Restwassermenge Fountain pen
Sanitary sewer Diving chamber Lock (water transport)
Dye Diving chamber Lock (water transport)
Lock (water transport) Lock (water transport) Bottling line
Sanitary sewer Druckstoß
Ocean current Sanitary sewer Musical development Lock (water transport)
Seeschiff Nozzle Sportboot
Messwert
Lock (water transport) Lock (water transport) Nachlauf <Verfahrenstechnik> Contactor
Hydraulic engineering Saw Lock (water transport) Lock (water transport)
Flüsse sind dynamische Systeme, die sich ständig verändern. Wechselnde Fließgeschwindigkeiten des Wassers bewirken, dass Sand und Kies abgetragen oder abgelagert werden. Insbesondere bei geringen Abflüssen können daraus negative Folgen für die Schifffahrt entstehen. Zum Beispiel, wenn Sandbänke flussabwärts wandern: Für Schiffe besteht dann die Gefahr, die Flusssohle zu berühren oder sogar darin festzufahren. Wasserbauliche Maßnahmen helfen das zu verhindern und das Flusssystem zu verbessern. Aber was sind die richtigen Maßnahmen? Bevor die zuständigen Wasser- und Schifffahrtsämter entscheiden, ob sie z.B. Buhnen verändern, holen sie sich Rat bei
der Bundesanstalt für Wasserbau in Karlsruhe. Die BAW ist eine wissenschaftliche Beratungs- und Forschungseinrichtung der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung und gehört zum Bundesverkehrsministerium. In ihren Hallen hält die BAW eine hochentwickelte Modell- und Messtechnik bereit, die sie sowohl für aufwändige Auftragsarbeiten als auch für wissenschaftliche Forschung verwendet. Physikalische Modelle können Sachverhalte zeigen, die in der Natur so nicht zu sehen sind. Sie haben klares Wasser, so dass man die Modellsohle und ihre Veränderung beobachten kann. Besondere Auswerteverfahren machen Vorgänge und Abläufe sichtbar. Naturuntersuchungen dienen dabei als Grundlage für Modelle. Für die zu untersuchenden Phänomene muss die Naturähnlichkeit gewährleistet sein. Die Ergebnisse der Modelluntersuchungen nutzt man vielfach, auch Jahre später noch. Sie werden mit numerischen Methoden, also Computersimulationen, gekoppelt. Mit einem numerischen Modell lassen sich kritische Stellen für die Schifffahrt
im Fluss simulieren und aufzeigen. In den physikalischen Modellen untersucht man auch, wie sich Maßnahmen zum Beispiel auf den Hochwasserabfluss oder die Ökologie auswirken, hier ein Modell der Elbe bei Schönberg. Bevor Wasser in sind gemacht und das dieses Modell einfließt, müssen die Referenzpunkte für die optischen Wasser fließt ein. Die Höhe
Messsysteme freigelegt sein. des Wassers regelt ein Für systematische Wehr. Wenn man die Untersuchungen der Strömung an Buhnen und in den physikalischen Modellgesetzte Buhnenfeldern reicht ein vereinfachtes halbes einhält, verhält sich Fluss-Modell mit fester Sohle aus. der Abfluss des Wassers Die 27 Meter im Modell ähnlich wie in der Natur. Weiße Modelllänge entsprechen etwa 800 Meter in der Kunststoff-Scheiben, sogenannte Tracer, Natur. Alle Vorbereitungen verdeutlichen das Strömungsverhalten. Zur gezielten Veränderung der Strömung in Buhnenfeldern werden Buhnen mit Einkerbungen untersucht. Ohne Einkerbung zeigen sie das Strömungsbild von üblichen Buhnen. Diese
Untersuchungen erfolgen in Zusammenarbeit mit den Biologen der Bundesanstalt für Gewässerkunde. Um bessere Bedingungen für Pflanzen und Tiere in den Buhnenfeldern zu schaffen, verändert man gezielt die Strömungsverhältnisse. Die Resultate werden dann in der Natur beobachtet und analysiert. Optischen Methoden erfassen die Höhe der Partikel sowie ihre Geschwindigkeit in der Strömung, die so genannte 3-D Partikel-Tracking-Velocimetrie, kurz PTV. 3 Kameras mit unterschiedlichen Blickwinkeln nehmen die weißen Tracer auf. Mit Hilfe von Referenzpunkten berechnet man ihre Lage im Raum und die Geschwindigkeit der Strömung.
Die Berechnung
ergibt dieses Strömungsbild
im Buhnenfeld. Rot ist die stärkste Strömung, blau ist schwache Strömung.
Dieses Modell der Oder ist 78 m lang, die Untersuchungsstrecke in der Natur beträgt 7,8 km. Es ist ein komplexes hydraulisches Modell mit beweglicher Sohle und hochentwickelter Versuchs- und Messtechnik, die weitgehend automatisiert ist. Einige Vorbereitungen gehen jedoch nur mit Handarbeit. Bei Modellen mit beweglicher Sohle verläuft jeder Versuch etwas anders. Deswegen fährt man mehrere Versuche, und wertet sie dann statistisch aus.
Der nächste Versuch ist in Vorbereitung. In
den 2 trichterförmigen Behältern auf dem Dach
befindet sich das Wasser für die Versuche. Durch ihre Konstruktion ist der Druck in den Rohren
konstant und der Zufluss ins Modell exakt regelbar. In diesem Modell untersuchen die Wissenschaftler unterschiedliche Buhnengeometrien für eine Verbesserung der
Schifffahrtsverhältnisse. Statt Kies und Sand des Flusses kommt das sehr leichte Polystyrol zum
Einsatz. Dieses Material reagiert im Modell, so wie Sand in der Natur.
Die Höhen der Puppe und des Modells haben ungefähr den gleichen Maßstab, 1:40. Einige Erscheinungen kann man schon ohne Hilfsmittel sehen, wie diese Wirbel, die sich von den Buhnenköpfen lösen.
In den Buhnenfeldern kommt es zu gegenläufiger Strömung, was mit Hilfe von eingefärbtem Wasser gut zu sehen
ist. Mit der frei beweglichen Messbrücke ist jeder Punkt im Modell anfahrbar. Auch hier nehmen
wieder drei digitale Kameras auf. Über Triangulationberechnungen entsteht ein dreidimensionales Bild der bei dem Versuch entstandenen Flusssohle. Von Interesse ist vor allem die Verformung
der Sohle. Wie bewegt sich das Geschiebe im Fluss? Wo entstehen Dünen
oder Sandbänke und wie wandern diese durch den Fluss? Mit den photogrammetrisch gewonnenen
Daten erstellt man die digitalen Geländemodelle. In diesem Modell wurde im Abstand von jeweils 10 Sekunden über einen Zeitraum von 11 Stunden vermessen. Das entspricht in der Natur einer Vermessung alle 14 Stunden, über einen Zeitraum von 6 Jahren. Die BAW untersucht auch Wasserbauwerke: Die Mainstaustufe Obernau bei Aschaffenburg besteht aus der 300 m langen Schleuse, dem Wehr sowie einem Kraftwerk und einem Fischpass. Das Bauwerk stammt aus dem Jahr 1930 und ist mittlerweile in die Jahre gekommen. Um sicherer und schneller schleusen zu können, um Wartezeiten zu vermeiden, ist der Bau einer neuen Schleuse neben der alten geplant. Die Wehranlage soll dabei auch erneuert werden. Zuvor ist aber zu klären, wie sich die bestehende und die neue
Anlage bei Hochwasser verhalten und wie sich Hochwasser auf die Schifffahrt auswirkt.
Außerdem will man wissen, wie sich eine neue
Schlauchwehranlage, etwa 250
Meter unterhalb der bestehenden Wehranlage, bewähren würde. Dafür baute die BAW dieses Modell mit fester Sohle im Maßstab 1:40 auf. Neben
der alten Schleuse sieht man hier die neue zweite Schleusenkammer und die neuen Wehrpfeiler. Automatisch wird Wasser in das Modell eingelassen. Es ist zu testen, wie Hochwasser auf die Schleusenanlage wirkt und wie die Verhältnisse für die Schifffahrt sind. Das 60 Meter lange Modell entspricht einem 2,4 km langen Mainabschnitt. Um die Auswirkungen baulicher Maßnahmen zu erfassen, stehen verschiedene
Messverfahren zur Verfügung. Bei optischen Verfahren kommen häufig Tracer zum Einsatz. In der BAW entwickelte und baute man diese Tracerspendermaschine. Die Mitarbeiter haben ihr den
Namen "Teilchenbeschleuniger" gegeben. Sie kann nicht nur die Menge
der Plättchen, sondern auch die Menge pro Zeit
genau dosieren. Eine Kamera erfasst die Tracer. So ist das Strömungsverhalten an jedem Ort des Modells analysierbar.
Die 4 hellen Punkte in den Ecken des Monitors dienen als Referenzpunkte
für die Berechnung. Daraus ergibt sich diese Auswertung. Sie zeigt die Verteilung der Strömungsgeschwindigkeiten. Nun noch einmal zur Frage: Wie verhält sich die neue Anlage bei Hochwasser? Bis der maximale Wasserstand des Jahrhunderthochwassers erreicht ist, vergeht einige Zeit. Dann ist selbst der
Schleusensteuerstand unter Wasser. Messpegel erfassen die Wasserstände.
Die Messtöpfe sind nach dem Prinzip der
kommunizierenden Röhren mit dem Modell verbunden. Das Messgerät nimmt mit Hilfe von Ultraschall die Höhe des Wasserspiegels im
Messtopf kontinuierlich auf. Die Daten werden für weitere Auswertungen und zur Qualitätssicherung
sofort archiviert. Viele Messgeräte, wie auch die Ultraschallwasserstandsmesser, sind nicht handelsüblich. Mitarbeiter
in der BAW eigenen Elektronikwerkstatt entwickeln und bauen sie. Andere planen und
konstruieren die Bauteile für die Modelle. Nach den Plänen bauen sie Formen in die sie den Beton
gießen und die Bewährung zur Stabilisierung
eindrücken. Aus solchen Beton-Bauteilen besteht
auch das Modell der Staustufe Obernau. Sind
die Voruntersuchungen abgeschlossen und alle Fragen geklärt, kann mit dem Bau der Anlage begonnen werden. Für Obernau ist geplant, statt
eines konventionellen Wehres ein Schlauchwehr
zu errichten. Da diese Wehrform noch relativ unbekannt ist, baute man ein Demonstrationsmodell. Die BAW konnte in den vergangenen Jahren umfangreiches Wissen über Schlauchwehre ansammeln. Drei sind bereits in Bundeswasserstraßen in Betrieb. Das Füllen und Entleeren erfolgt über das
Öffnen und Schließen von elektrisch betriebenen Schützen. Dabei wird das
Prinzip der kommunizierenden
Röhren genutzt. Der mit Wasser gefüllte Schlauch ist an der Flusssohle und an den beiden Ufern mit Hilfe von
Klemmschienen befestigt. Beim Ablassen des gestauten Wassers entleeren sich Regelschacht und Schlauch. Beim Stauen füllen sich Regelschacht und Schlauch wieder mit Wasser. Das Modell der neuen Schleuse Minden baute man im Maßstab 1:25. Sparschleusen werden in Kanälen gebaut, um den Wasserverbrauch zu reduzieren. Bevor ein Schiff talwärts in die Schleusenkammer einfahren kann, muss der Wasserspiegel von Schleusenkammer und Oberwasser ausgeglichen sein. Die alte und die neue Schleuse Minden verbinden Mittellandkanal und Weser. Der
überwiegende Teil des Wassers kommt aus den seitlichen Sparbecken, die
Restwassermenge stammt aus dem Kanal. Um den Weg des Wassers deutlich zu
machen, gießt der Mitarbeiter schwarzen Farbstoff hinein. Füllen und Entleeren der Schleuse
werden hier im physikalischen Modell eingehend untersucht und optimiert, neuerdings ergänzt auch
durch numerische Detailmodelle. Die Füll- und Entleerzeiten sollen möglichst kurz und die Anzahl der Zu- und
Abfluss-Kanäle soll effizient sein. Die Kanäle verbinden die Sparbecken mit der Druckkammer, die unterhalb
der Schleusenkammer
liegt. Das Wasser strömt von der Druckkammer über Fülldüsen in die Schleusenkammer. Farbstoff macht das Einströmen des Wassers sichtbar. Eine
gleichmäßige Verteilung beim Einfüllen ist angestrebt. Bei der Sparschleuse Minden beschloss man, auf einer Seite der Schleusenkammer 3 Sparbecken anzulegen.
Sparbecken 1 und 3 liegen übereinander, Sparbecken 2 seitlich davor. Die 3 Becken speichern etwa 60% des für die Füllung der Schleusenkammer benötigten Wassers. Um die zweckmäßige Anzahl der Sparbeckenkanäle ohne Umbaumaßnahmen
ermitteln zu können, haben die Sparbecken sowohl einen als auch zwei Kanäle.
Im Modell kann man gefahrlos Untersuchungen z. B. über die Größe von Druckstößen infolge von
Fehlbedienung oder bei Schleusenhalt mit schnellem Verschließen der Schütze durchführen.Auch der Strömungsverlauf des Wassers beim Entleeren der Schleusenkammer lässt sich mit schwarz eingefärbtem Wasser sichtbar machen. Dabei entsteht eine hochturbulente Wasserbewegung im unteren
Kanal. Dieser Düsenversuchsstand im Maßstab 1:10 dient zum Testen unterschiedlich
geformter Düsen. Schwallkopfentwicklung sowie Ausströmstärke werden untersucht, damit es später keine Probleme für Schiffe und Sportboote in der
Schleusenkammer gibt. Strömungsdetails werden
wiederum mit schwarz eingefärbtem Wasser sichtbar.
Alle Vorgänge am Modell steuert ein Computer, der sich in einer Messkabine befindet.
Er speichert die Daten und stellt die Messergebnisse
unmittelbare nach einem Versuch dar. Sogenannte Schütze regeln das Zu- und
Ausflussverhalten von Schleusenkammer und Sparbecken.Schützfahrpläne berücksichtigen die maximal zulässigen Schiffskräfte
und vermeiden negative Auswirkungen wie Schwallwellen. Das Entleeren der Schleusenkammer und Auffüllen der Sparbecken, links, ist hier mit 8-facher Zeitraffung zu sehen. Das im Modell vorgestellte Füll- und Entleersystem der neuen Schleuse Minden basiert auf dem System der Schleuse Uelzen II. Auch
Uelzen II hatte die Bundesanstalt für Wasserbau in Karlsruhe vor ihrem Bau im Modell untersucht und optimiert.
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