Wirbelfallschacht Wiggen in Rorschach - Abwasserverband Altenrhein

Das Überwinden grösserer Höhenunterschiede
durch Kanäle der Siedlungsentwässerung
macht den Bau von Absturzbauwerken notwendig.
Eine bewährte Lösung ist der Wirbelfallschacht,
der auch bei sehr grossen Abflüssen
einen stabilen Abfluss ohne Druckstösse und
Pulsationen gewährleistet, der aber wegen seiner
oft komplizierten Formgebung recht aufwändig
sein kann. In Rorschach wurde kürzlich
der Wirbelfallschacht Wiggen in Betrieb
genommen. Der Konstruktion gingen umfassende
Modellversuche voraus.
Der Wirbelfallschacht ist ein Absturzbauwerk
zur Überwindung grösserer Höhenunterschiede
und wird in der Stadtentwässerung häufig
angewandt [1, 2, 3]. Das ankommende Wasser
wird tangential in eine obere Drallkammer
eingeleitet und verlässt diese nach unten in
einem kreisrunden Fallschacht. Während das
Wasser nach unten fällt, wird es durch die
Fliehkraft an die Schachtwand gedrückt.
Dadurch ergibt sich innen ein Luftkern. Ein
unkontrolliertes Mitreissen von Luft mit
nachfolgender Ampullenbildung und einem
«Rülpsen» des Fallschachtes wird so vermieden.
Auch grosse Abflüsse werden stabil und
ohne die Tendenz zu Pulsationen und zum
Zuschlagen der Leitung abgeführt, wie dies
bei Absturzschächten anderer Bauart oft zu
beobachten ist [4]. Am unteren Ende des Fallschachtes
ist eine Toskammer zur Energieumwandlung
angeordnet.
Die Gestaltung von Wirbelfallschächten ist
für einfache geometrische und hydraulische
Verhältnisse im Schweizer [5] wie auch im
deutschen Regelwerk [6] beschrieben. Für
strömenden wie für schiessenden Zufluss werden
Abmessungen einer Drallkammerspirale
angegeben. Insbesondere für schiessenden
Zufluss ist die Form mit wendelartigem Boden
und gleichzeitig spiraliger Wand der Drallkammer
sehr kompliziert herzustellen.
Gebhard Weiss, ernst hohl
Modellversuche
Im Bereich des Abwasserverbandes
Altenrhein, Kanton St. Gallen,
werden die Ortslagen von Rorschacherberg
und Staad vom 4,7 km langen
Fuchslochstollen unterquert,
der als Mischwasserkanal dient. Im
Zuge der geplanten Bewirtschaftung
dieses Fuchslochstollens (Nutzung
als Regenüberlaufbecken)
sollte mit dem Wirbelfallschacht
Wiggen ein höher gelegenes Einzugsgebiet
etwa nach einem Drittel
der Stollenlänge an diesen angeschlossen
werden. Dazu war eine
Höhendifferenz von ungefähr 18 m
zu überwinden; der rechnerische
Maximalabfluss im Endausbauzustand
beträgt 4320 ¬/s. Als Besonderheit
gibt es zwei Mischwasserzuflüsse,
der eine ist flach geneigt und
bei allen massgebenden Abflüssen
mit strömendem Zufluss, der andere
hat eine Steilleitung mit schiessender
Strömung. Um ein zusätzliches
Ver ei nigungsbauwerk zu vermeiden,
sollten beide Zuflüsse
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Wirbelfallschacht Wiggen in Rorschach
Überwindung grosser höhendifferenzen
Zulauf
DN 200
(MID nicht
gezeigt)
Plattenschieber
DN 80
Zulauf West
Ø 110 mm
flach geneigt
Ablaufstollen
zum Fuchslochstollen
Wasserstandsglas
und Druckmessdose
Drallkammer
Ø 400 mm
Abb. 1 Das Modell im hydraulischen Labor. Massstab der Längen 1:10.
Zulauf Süd
Ø 60 mm
Steilleitung
Fallschacht
Ø 140 mm
Entlüftung
Ø 60 mm
Toskammer
Ø 460 mm
Schwebekörper-Durchflussmesser
Zulauf
DN 50
direkt in die Drallkammer eingeleitet
werden [7].
Eine solche Geometrie ist mit den
genannten Standardabmessungen
nicht möglich. Aus diesem Grund
beauftragte der Abwasserverband
Altenrhein die Firma Umwelt- und
Fluid-Technik mit der Durchführung
von Modellversuchen mit folgender
Zielsetzung:
– Festlegung der Abmessungen
der wesentlichen Bauwerksteile
(Drallkammer, Anordnung der
Zuläufe, Ausbildung der Toskammer
am Schachtfuss).
− Ermittlung der massgebenden
Wasserstände, die beim Bemessungsabfluss
in den Zulaufkanälen
zu erwarten ist.
− Variation der Abflüsse in beiden
Zulaufkanälen (es sollte ein
zweiter optionaler Wirbelfallschacht,
Seeburg, mit anderer
Zuflussaufteilung, aber ähnlichen
geometrischen Abmessungen
im selben Modell mit untersucht
werden; mittlerweile wurde
gwa 2/2010 137

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diese Baumassnahme jedoch
aufgegeben).
− Falls erforderlich, Vorschlag von
Massnahmen zur Minimierung
der Wasserspiegelhöhe in der
Drallkammer.
Als Modell-Längenmassstab wurde
im Hinblick auf die Grösse des Modells
und die praktische Handhabbarkeit
der zu erwartenden Abflüsse
ein Wert von M L = 1:10 gewählt
(Abb. 1).
Der Abflussmassstab ergibt sich
nach dem Froude-Modellgesetz:
M Q = M L 2,5 = 1 : 316,2
Eine kreisrunde Ausführung der
Drallkammer mit flachem Boden
wurde aus Kostengründen angestrebt.
Drallkammerdurchmesser
und Fallschachtdurchmesser ergaben
sich nach einer groben Vordimensionierung
nach [6] zu 4,00 m
(400 mm im Modell) bzw. 1,40 m
(140 mm im Modell). Drallkammer
und Fallschacht sind konzentrisch.
Im einen Zulauf erlaubte ein magnetisch
induktiver Durchflussmesser
(MID) und im anderen ein
Schwebekörper­Durchflussmesser
die getrennte Einstellung und Messung
der beiden Zuflüsse. Das Modell
entstand aus Plexiglasteilen,
für die Steigschächte der beiden
Zuläufe wurde beschichtetes wasserfest
verleimtes Sperrholz verwendet.
Dadurch war eine schnelle
und kostengünstige Ausführung
möglich.
Hydraulisches Verhalten
Ein Wirbelfallschacht wirkt durch
den tangentialen Zulauf ähnlich
wie eine Wirbeldrossel [8]. Ein solches
Bauelement wird z. B. zur Abflussbegrenzung
an Regenbecken
verwendet und zeichnet sich dadurch
aus, dass trotz grossen offe­
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nen Querschnitts der Durchfluss
relativ klein ist. Das liegt an den
hydrodynamischen Gesetzmässigkeiten
des «Badewannenwirbels»
mit seiner Potenzialströmung in der
Mitte.
Allerdings ist gerade diese Eigenschaft
für den Wirbelfallschacht unerwünscht,
weil dieser ja nicht als
Drossel wirken soll. Im Umkehrschluss
ergibt sich für einen gegebenen
Bemessungszufluss nämlich ein
verhältnismässig hoher Einstau in
der Drallkammer (Abb. 2) und
damit natürlich auch in den ankommenden
Kanälen. Dem kann
man zwar bis zu einem bestimm­
ten Punkt durch ein Tieferlegen
der Drallkammer entgegen wir­
ken, dennoch bestand der Wunsch,
den zu hohen Wasserstand zu begrenzen.
Bei der klassischen Ausführung mit
spiralförmiger Drallkammer tritt
dieser Effekt in weit geringerer
Form auf. Das eintretende Wasser
findet dort den Drallkammerboden
Abb. 2 Das Modell im Betrieb (der zweite Zulauf
kommt von hinten und ist aus dieser perspektive
nicht sichtbar).
gwa 2/2010
Wasserstand h in der Drallkammer in m+NN
410,0
409,5
409,0
408,5
408,0
407,5
Rorschach Wirbelfallschächte
WFS 2 Wiggen
Ergebnisse auf Grossausführung hochgerechnet
Höherer Einstau durch verengten
Fallschachtdurchmesser
Ohne «Wirbelkiller»
Mit «Wirbelkiller», UK 1,10 m über
Drallkammersohle
Drallkammersohle 407,00 m+NN
Bemessungsabfluss 4290 ¬/s
(Süd 990 l/s, West 3300 ¬/s)
Höherer Einstau durch verengten
Fallschachtdurchmesser
407,0
0,00
0 1000 2000 3000 4000 5000
Gesamtdurchfluss Q ges = Q Süd + Q West in ¬/s
Abb. 3 hydraulische Kennlinien Q(h) für die Grossausführung.
als über dem Umfang immer schmaler werdenden
Streifen vor, so dass der Zufluss während
einer Umdrehung vollständig «in den
Fallschacht gedrückt» wird. Einen «Badewannenwirbel»
gibt es hier zwar auch, aber durch
die Geometrie kann sich die Potenzialströmung
nicht vollkommen ausbilden und es
ergibt sich ein weniger hoher Einstau.
Die Abhilfe bei kreisförmiger Drallkammer
bestand aus Einbauten, die bei besonders hohem
Einstau den Wirbel «stören». Ein Vorschlag
mit einer einfachen Trennwand findet
sich bei [3]. Als sehr effektiv erwies sich ein
«Wirbelkiller», bestehend aus einem senkrechten
Plattenkreuz mit der Unterkante (im
Modell) 110 mm über dem Drallkammerboden.
Abbildung 3 zeigt die auf die Grossausführung
hochgerechneten Kennlinien mit
und ohne den «Wirbelkiller»; es wird deutlich,
dass bei gleich hohem Einstau der abführbare
Abfluss mehr als verdoppelt wird. Die Graphik
zeigt ausserdem den etwas höheren Einstau,
wenn der Fallschacht enger als die genannten
1,40 m ausgeführt wird.
Bei schiessendem Zufluss schlägt [6] vor, das
Wasser in schiessendem Zustand an die
Schachtwand zu leiten. Das ist zwar sehr elegant,
aber in der Praxis unnötig. Mündet eine
Steilleitung in einen Wirbelfallschacht mit flacher
Kammersohle, so staut der untere Teil
dieser Leitung ein und es bildet sich dort ein
3,00
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
Wasserstand h in der Drallkammer in m ü. Drallkammerboden

Wechselsprung aus (Abb. 1). Die letzte Haltung
der Steilleitung vor dem Wirbelfallschacht
hat einige Meter Höhenunterschied,
so dass dies nicht von Nachteil ist.
Bei grossen Zuflüssen sind die Zuläufe zur
Drallkammer beide eingestaut. Der zu erwartende
Wasserstand ist als unterstromige Randbedingung
für die hydraulische Berechnung
der Zulaufkanäle anzusetzen, was aber bei einer
Steilleitung keine Auswirkungen hat. Generell
dürfte eine Ausführung eines Wirbelfallschachtes
mit wendelartiger und spiraliger
Drallkammer nach [6] auch bei nur einem
Steilzufluss hydraulisch nur selten wirklich
notwendig werden. Allerdings empfiehlt es
sich dann, die Gestaltung durch einen Modellversuch
abzusichern.
Abb. 4 Die toskammer mit der tostasse bei mässigem regenzufluss.
(Foto: Ernst Hohl)
Einstieg
Toskammer
Öffnung
zum Luftaustausch
einziehbare
Leiter
ZugangsundBelüftungsschacht
einziehbare
Leiter
Einstieg
Drallkammer
Montageöffnung
Drallkammer
407,00
Toskammer
395,80
Tostasse
OK Terrain 413,00
Molassefels
“Wirbelkiller”,
an die Wand
klappbar
Fallschacht
Füllbeton
31 m
Verbindungsstollen
Abb. 5 Schnittzeichnung des ausgeführten Bauwerkes.
Fuchslochstollen
394,60
Konstruktive Gestaltung
Der Wirbelfallschacht Wiggen wurde
in den Jahren 2007–2008 innert zehn
Monaten erbaut und ist mittlerweile
in Betrieb (Abb. 4). Baulich
boten das bergmännische Abteufen
des Schachtes und das Auffahren
des Verbindungsstollens in dem anstehenden
festen Mo lassefels keine
Schwierigkeiten. Der Fallschacht
ist ein GFK­Rohr, welches mit Füllbeton
ummantelt wurde.
Neben dem eigentlichen Fallschacht
ist ein Belüftungs­ und Zugangsschacht
angeordnet (Abb. 5), durch
den mitgerissene Luft aus der Toskammer
nach oben entweichen
kann. Oben stellt eine Verbindungsöffnung
den Luftausgleich sicher,
ohne dass Luft durch die Schachtdeckel
strömen muss.
Die Tostassenform in der Toskammer
wurde gleichfalls im Modellversuch
optimiert, so dass auch bei
kleinen Abflüssen stets ein Wasserpolster
vorhanden ist und das herabstürzende
Wasser nicht direkt auf
den Betonboden trifft. Der «Wirbelkiller»
ist derzeit noch nicht eingebaut;
das ist zulässig, weil erst ein
geringer Teil des im Endausbau
vorgesehenen Einzugsgebietes angeschlossen
ist. Eine Nachrüstung
ist jedoch vorgesehen.
Fazit
Insgesamt erwiesen sich Modellversuche
im vorliegenden Projekt als
effektive und kostengünstige Massnahme,
um die Gestaltung eines
nicht ganz einfachen Bauwerkes
abzusichern und Aussagen für die
zu erwartenden Wasserspiegella­
gen zu erhalten. Auch im Zeitalter
der numerischen Modellierung haben
klassische Modellversuche also
nach wie vor ihre Berechtigung.
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Literaturverzeichnis
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des Wirbelfallschachtes. gwf
Wasser – Abwasser 128, Heft 11, S. 582–590.
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der Kanalisationstechnik. Zürich, Mitteilungen
der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie
und Glaziologie, ETHZ, Nr. 98.
[3] Kleinschroth, A.; Wirth, H. (1981): Dimensionierung
von Wirbelfallschächten unter Berücksichtigung
verschiedener Zuflussbedingungen.
Hydraulik und Gewässerkunde, Technische
Universität München, Mitteilungen,
Heft Nr. 36.
[4] Merlein, J.; Kleinschroth, A.; Valentin, F. (2002):
Systematisierung von Absturzbauwerken. Hydraulik
und Gewässerkunde, Technische Universität
München, Mitteilungen, Heft Nr. 69.
[5] SIA 40 (1980): Sonderbauwerke der Kanalisationstechnik.
Hydraulische Berechnungsgrundlagen
und konstruktive Hinweise. SIA­
Dokumentation 40. Schweizer Ingenieur­ und
Architekten­Verein.
[6] DWA-A 112 (2007): Hydraulische Dimensionierung
und Leistungsnachweis von Sonderbauwerken
in Abwasserkanälen und ­leitungen.
Arbeitsblatt, DWA­Regelwerk. Hennef:
Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft,
Abwasser und Abfall e.V.
[7] Volkart, P. (1984): Der Wirbelfallschacht als
Vereinigungsbauwerk. Zürich, Mitteilungen
der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie
und Glaziologie, ETHZ, Nr. 69.
[8] Brombach, H. (1972): Untersuchung strömungsmechanischer
Elemente (Fluidik) und
die Möglichkeit der Anwendung von Wirbelkammerelementen
im Wasserbau. Universität
Stuttgart, Institut für Wasserbau, Mitteilungen,
Heft 25.
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