Hydraulik von Blockrampen in Riegelbauweise - Bergische ...

BERGISCHEUNIVERSITÄTWUPPERTALHydraulik von Blockrampen inRiegelbauweiseBachelor ThesisvonTobias Motz, Matrikelnummer 747284Betreuer:Dr.-Ing. Mario OertelUniv. Prof.- Dr.-Ing A. SchlenkhoLuFG Wasserwirtschaft und WasserbauFB D Abteilung BauingenieurwesenBergische Universität Wuppertal

SelbständigkeitserklärungHiermit versichere ich, dass ich diese Bachelorarbeit selbstständig und ausschlieÿlich unterVerwendung der angegebenen Quellen und Hilfsmittel angefertigt habe.Wuppertal, den 20.03.2011(Tobias Motz)i

KurzfassungHeutzutage unterliegen Flieÿgewässer vielfältigen und intensiven anthropogenen Nutzungen.Dazu gehört beispielsweise die Trinkwassergewinnung, der Hochwaserschutz oder dieGewinnung von Energie mittels Wasserkraft. Im Zuge der EU-Wasserrahmenrichtlinie (EU-WRRL, 2000) wird die Wiederhestellung eines naturnahen Zustands aller anthropogenveränderten Flieÿgewässer zum Erreichen eines sogenannten guten ökologischen Zustandsvorgeschrieben. Die Konstruktion von Blockrampen in Riegelbauweise stellt dabei eineübliche Lösung dar. Blockrampen werden zur Überwindung von Höhenunterschieden verwendet.Gleichzeitig bieten diese Fischen Aufstiegsmöglichkeiten und dienen zur Erhaltungoder Wiederherstellung der longitudinalen Durchgängigkeit des Flieÿgewässers. Derzeitverfügbare Ansätze über Energieumwandlung und Flieÿwiderstände befassen sich mitunstrukturierten Blockrampen. Dabei erfolgt die Anordnung der einzelnen Störelemente,ohne einem bestimmten Muster folgend, über die gesamte Sohle der Rampe. Im Gegensatzdazu werden bei Blockrampen in Riegelbauweise die Störsteine in Reihen quer zurFlieÿrichtung positioniert. Die beschriebene Anordnug führt zur Bildung einzelner Beckenzwischen den Riegeln. Jede Reihe besitzt Störsteine von geringerer Höhe, die schon beikleinen Durchüssen überströmt werden und damit einen minimalen Wasserstand in jedemBecken garantieren. Mit steigendem Durchuss werden auch die höheren Riegelelementeüberströmt und es bildet sich nach und nach eine Gerinneströmung aus.In dieser Arbeit wird die Hydraulik von Blockrampen in Riegelbauweise untersucht. Ein-üsse aus Riegelform, Riegelabstand und Sohlmaterial in den Becken auf das Abussverhaltenwerden in Abhängigkeit von Neigung und Durchuss erfasst. Im Zuge dessen werdenVersuche an einem physikalischen Modell im Wasserbaulabor der Universität Wuppertaldurchgeführt. Die Arbeit konzentriert sich auf das Messen von Wasserständen über derRampe in Abhängigkeit der oben beschriebenen Parameter. Versuche werden für Abüssezwischen Q = 5 l/s und Q = 100 l/s und Neigungen von S = 1:10, S = 1:30 und S = 1:50durchgeführt. Es werden zwei Riegeltypen untersucht. Einerseits Riegel mit einem rechtv

viKurzfassungeckigen Querschnitt und andererseits Riegel mit einer naturnahen Form. Insgesamt werdendrei unterschiedliche Sohlmaterialien und zwei unterschiedliche Riegelabstände untersucht.Mit den gewonnenen Ergebnissen werden weiterführend die Energieumwandlung sowie dieFlieÿwiderstände der Rampe in Abhängigkeit von Durchuss und Neigung untersucht.Die Entwicklung eigener Ansätze, mit denen die relative Energiedissipation ∆E r sowie dieReibungsbeiwerte f angenähert werden können, steht dabei im Vordergrund. Anschlieÿendwerden diese auf ihre Anwendbarkeit hin geprüft.

AbstractNowadays owing waters succumb various anthropogenic exploitations like drinking waterproduction, ood control or hydroelectric energy generation. Due to the European WaterFramework Directive (EU-WFD) all anthropogenic modied water bodies have to be restoredinto nearly-natural conditions. For nature-like channels, the construction of cross-barblock ramps constitutes a common solution. Block ramps are needed to bypass dierencesin height giving climb possibilities for shes at the same time. Currently available investigationsoccupy energy dissipation processes on unstructured block ramps. In this case largestones are arranged over the entire slope. As opposed to this, the boulders' congurationon cross-bar block ramps follows a certain pattern. The stones are arranged in rows lateralto the ow direction, building several basins, where every row of boulders provides lowerstones which guarantee a minimum water level in each basin allowing an overfall for smalldischarges. Overowing the larger stones with increasing discharges a channel ow ensues.In this work the hydraulics of cross-bar block ramps will be investigated. Inuences ofthe boulder's shape, boulder's distance, and the bottom material in the basins will beanalyzed subject to slope and discharge of the ramp. Therefore experiments on a physicalmodel of a cross-bar block ramp are conducted at the Hydraulic Engineering Section,Civil Engineering Department, University of Wuppertal. The work concentrates on themeasurement of water levels due to the described parameters. Test are run for dischargesfrom Q = 5 l/s to Q = 100 l/s with slopes from S = 1:10 to S = 1:50. Two types ofboulders are used. One with a rectangular and one with a nature-like geometry. Overallthree dierent bottom materials and two dierent boulder distances are investigated.With the measured water levels new approaches for energy dissipation processes and frictionfactors on cross-bar block ramps are developed.vii

VariablenverzeichnisVariable Denition EinheitA Durchossener Querschnitt cm 2B m Breite der Kipprinne mD 84 Durchmesser des Sohlmaterials für das 84 Prozent feiner sind mmD b mittlerer Riegldurchmesser mmE 0 Anfangsenergiehöhe cmE 1 Energiehöhe am Punkt 1 cm∆E abslolute Energiedissipation -∆E r relative Energiedissipation -f Darcy-Weisbach Widerstandsbeiwert m 3 /sg Erbeschleunigung m/s 2Γ Störsteinkonzentration -h Wasserstand cmh b Riegelhöhe cmh mean mittlerer Wasserstand cmh ue Überfallhöhe cmH Rampenhöhe mh l Energieverlusthöhe cmh c Grenzwassertiefe cmL Rampenlänge mL m Länge der Kipprinne mix

xVariablenverzeichnisVariable Denition EinheitN b Riegelanzahl -Q Durchuss m 3 /sr hydraulischer Radius mS Sohlneigung -U Flieÿgeschwindigkeit m/sU b Umfang des durchossenen Querschnitts cmU mean mittlere Flieÿgeschwindigkeit m/sW Rampenbreite mz 0 geodätische Höhe am Punkt 0 mz 1 geodätische Höhe am Punkt 1 m

InhaltsverzeichnisSelbstständigkeitserklärungVorwortKurzfassungAbstractVariablenverzeichnisAbbildungsverzeichnisTabellenverzeichnisiiiivviiixxviixixAufgabenstellung 1I Einführung 31 Einleitung 52 Blocksteinrampen 72.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2 Bauweisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.3 Abusszustände und Abussregime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.4 Bemessungsabuss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.5 Rückstau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Stand der Forschung 133.1 Energieumwandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.2 Strömungswiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15xi

xiiInhaltsverzeichnisII Experimenteller Versuchsaufbau 174 Physikalisches Modell 194.1 Kipprinne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194.2 Einbauten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204.2.1 Riegeltypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204.2.2 Sohlrauheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224.2.3 Stauscheibe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224.3 Versuchsprogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 Messtechnik 255.1 Ultraschallsensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255.2 Isel Schrittmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265.3 Messsoftware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275.4 Messunsicherheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285.4.1 Mittelwertbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285.4.2 Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285.4.3 Durchuss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29III Ergebnisanalyse 316 Wasserspiegellagen 336.1 Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336.2 Phänomene und Strömungsregime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336.2.1 Neigung S = 1:10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336.2.2 Neigung S = 1:30 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406.2.3 Neigung S = 1:50 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446.3 Abhängigkeit von Neigung und Durchuss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456.4 Weitere Einussparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496.4.1 Stauscheibe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496.4.2 Riegelform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546.4.3 Riegelabstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 566.4.4 Sohlmaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586.4.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617 Energieumwandlung 637.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637.2 Modizierter Berechnungsansatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

Inhaltsverzeichnisxiii8 Reibungsbeiwerte 688.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 688.2 Modizierter Berechnungsansatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 708.3 Empfehlung zur Berechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73IV Schlussbetrachtungen 759 Zusammenfassung und Ausblick 77Literaturverzeichnis 79V Anhang 81A Grasche Ergebnisse 83A.1 Riegelform CB1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83A.2 Riegelform CB2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87A.3 Riegelform CB3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91A.4 Ausgewählte Versuchsläufe für Sohlrauheit B2 und B3 . . . . . . . . . . . . 95A.5 Vergleich der Wasserspiegellagen der Riegelformen CB1 und CB2 . . . . . . 96A.6 Reproduzierungsläufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98A.6.1 S = 1:10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98A.6.2 S = 1:30 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

xivInhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis1.1 Blocksteinrampe in Riegelbauweise im Bauzustand, Bildquelle: Wupperverband. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.1 Bauweisen von Blockrampen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2 Abusszustände für zunehmende Durchüsse (DVWK 118, 1997) . . . . . 114.1 Physikalisches Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194.2 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204.3 Riegelformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214.4 Sohlrauheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224.5 Stauscheibe für S = 1:10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235.1 Automatisiertes isel Schrittmotorsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265.2 Oberäche der Messoftware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275.3 Sensorstreuung bei Trockenmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285.4 Durchussmessgerät und Drossel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296.1 Wasserspiegellagen für Q = 5-20 l/s und S = 1:10 . . . . . . . . . . . . . . 346.2 Verwirbelungen hinter den Riegeln; Flieÿrichtung von links nach rechts . . . 346.3 Ausbildung von stehenden Wechselsprüngen bei Q= 15 l/s . . . . . . . . . . 356.4 Strömungsbild über den Gerinnequerschnitt bei Q = 30 l/s . . . . . . . . . 366.5 Verschiebung der Wellentäler ins Unterwasser mit zunehmendem Durchussbei S = 1:10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366.6 Wasserspiegellage bei Q = 50 l/s und S = 1:10 . . . . . . . . . . . . . . . . 386.7 Wasserspiegellage bei Q = 60 l/s und S = 1:10 . . . . . . . . . . . . . . . . 396.8 Wasserspiegellage bei Q = 5 l/s und S = 1:30 . . . . . . . . . . . . . . . . . 406.9 Wasserspiegellage bei Q = 10 l/s und S = 1:30 . . . . . . . . . . . . . . . . 416.10 Wasserspiegellage bei Q = 20 l/s und S = 1:30 . . . . . . . . . . . . . . . . 426.11 Charakteristische gewellte Wasseroberäche bei Q = 30 l/s . . . . . . . . . 43xv

xviAbbildungsverzeichnis6.12 Wasserspiegellagen bei Q = 30 l/s und Q = 40 l/s bei S = 1:30 . . . . . . . 446.13 Wasserspiegellagen bei Q = 50 l/s und Q = 60 l/s bei S = 1:30 . . . . . . . 456.14 Wasserspiegellage bei Q = 100 l/s und S = 1:30 . . . . . . . . . . . . . . . . 466.15 Gemessene Wasserspiegellagen aller Neigungen bei Q = 30 l/s . . . . . . . . 476.16 Wasserspiegellagen aller Neigungen bei Q = 50 l/s . . . . . . . . . . . . . . 486.17 Abussphänomene bei S = 1:10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506.18 Aufstau und Stauscheitel bei S = 1:10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516.19 Stauscheibe im eingebauten Zustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516.20 Einuss der Stauscheibe auf die Zuusssituation . . . . . . . . . . . . . . . . 526.21 Einuss der Stauscheibe bei Q = 30 l/s auf die Messergebnisse . . . . . . . 536.22 Einuss der Stauscheibe bei Q = 40 l/s auf die Messergebnisse . . . . . . . 536.23 Einuss der Stauscheibe zur Beruhigung der Zuusssituation . . . . . . . . . 546.24 Einuss der Riegelform auf das Abussverhalten (CB1-CB2) . . . . . . . . . 566.25 Vergleich der Riegelabstände bei S = 1:30 und Q = 5 l/s . . . . . . . . . . . 576.26 Vergleich der Riegelabstände bei S = 1:30 und Q = 30 l/s . . . . . . . . . . 576.27 Vergleich der Riegelabstände bei S = 1:30 und Q = 80 l/s . . . . . . . . . . 586.28 Vergleich der Sohlrauheiten B1 und B2 bei S = 1:50 . . . . . . . . . . . . . 596.29 Vergleich der Sohlrauheiten B1 und B3 bei S = 1:50 . . . . . . . . . . . . . 607.1 Relative Energiedissipation, Vergleich zwischen Messergebnissen, Gleichung3.2 und Gleichung 7.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 677.2 Relative Energiedissipation, Vergleich zwischen Messergebnissen und Gleichung7.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 678.1 Darstellung der aus den Messergebnissen berechneten Reibungsbeiwerten . . 728.2 Vergleich der gemessenen und mit Gl. 8.5 berechneten Reibungsbeiwerte . . 72A.1 Wasserspiegellagen bei Riegelform CB1 mit Durchüssen von 5-100 l/s beieiner Neigung von 1:10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84A.2 Wasserspiegellagen bei Riegelform CB1 mit Durchüssen von 5-100 l/s beieiner Neigung von 1:30 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85A.3 Wasserspiegellagen bei Riegelform CB1 mit Durchüssen von 5-100 l/s beieiner Neigung von 1:50 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86A.4 Wasserspiegellagen bei Riegelform CB2 mit Durchüssen von 5-100 l/s beieiner Neigung von 1:10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88A.5 Wasserspiegellagen bei Riegelform CB2 mit Durchüssen von 5-100 l/s beieiner Neigung von 1:30 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

AbbildungsverzeichnisxviiA.6 Wasserspiegellagen bei Riegelform CB2 mit Durchüssen von 5-100 l/s beieiner Neigung von 1:50 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90A.7 Wasserspiegellagen bei Riegelform CB3 mit Durchüssen von 5-100 l/s beieiner Neigung von 1:10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92A.8 Wasserspiegellagen bei Riegelform CB3 mit Durchüssen von 5-100 l/s beieiner Neigung von 1:30 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93A.9 Wasserspiegellagen bei Riegelform CB3 mit Durchüssen von 5-100 l/s beieiner Neigung von 1:50 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94A.10 Ausgewählte Wasserspiegellagen bei Riegelform CB1 mit Durchüssen von5-100 l/s bei einer Neigung von 1:50 für die Sohlrauheit B2 . . . . . . . . . 95A.11 Ausgewählte Wasserspiegellagen bei Riegelform CB1 mit Durchüssen von5-100 l/s bei einer Neigung von 1:50 für die Sohlrauheit B3 . . . . . . . . . 95A.12 Wasserspiegellagen bei Riegelform CB3 mit Durchüssen von 5-100 l/s beieiner Neigung von 1:50 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97A.13 Reproduzierungsläufe S = 1:10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98A.14 Reproduzierungsläufe S = 1:30 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

xviiiAbbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis4.1 Versuchsparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234.2 Übersicht Versuchsprogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245.1 Technische Eigenschaften und Abbildung der Ultraschallsensoren; Quelle:www.generalacoustics.com . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256.1 Durchussgrenzen für die Abussregime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497.1 Werte für Parameter gemäÿ Pagliara & Chiavaccini (2006a) . . . . . . 65xix

xxTabellenverzeichnis

AufgabenstellungHydraulik von Blockrampen in RiegelbauweiseHerr Motz soll sich im Rahmen seiner Bachelor Thesis mit einer Thematik aus dem Bereichder Hydraulik von Blocksteinrampen befassen. Im Zuge der EU-WRRL sind dieFlieÿgewässer in einen naturnahen guten Zustand zurückzuführen. Hierbei spielen Sohlenbauwerke,insbesondere Blocksteinrampen eine wichtige Rolle, da sie unter bestimmenRandbedingungen eine Möglichkeit zum Erreichen der geforderten ökologische Durchgängigkeitdarstellen.Im Zuge der Bachelor Thesis sind neben der klassischen Literaturrecherche auch Modellversuchean einem vorhandenen physikalischen Modell im Wasserbaulabor der BergischenUniversität Wuppertal durchzuführen. Hier sollen hydraulische Prozesse beim Überströmenvon Riegeln auf einer Rampe untersucht werden. Insbesondere die Wasserspiegellage unddie Entwicklung geeigneter analytischer Ansätze zur Abschätzung dieser stehen im Vordergrundder Untersuchungen. Drei Abusszustände können mit steigendem Durchuss unterschiedenwerden: (1) Beckenströmung, (2) gewellter Abuss und (3) Gerinneströmung. Einin Absprache deniertes Messprogramm ist durchzuführen und in Bezug auf die Aufgabenstellungauszuwerten. Dabei sind Grenzwerte für den Einsatz bestimmter Verfahren (z. B.Überfallformel nach Poleni, Darcy- oder Bernoulli-Ansatz) zu denieren. Die Entwicklungvon Reibungsbeiwerten f für den Fall der Gerinneströmung wird angestrebt.Die Ergebnisse der Arbeit sind in einem Bericht zu beschreiben. Zusätzlich ist eine in sichverständliche Kurzfassung (ca. 10 Seiten) und eine Präsentation zu erstellen.Im Einzelnen sind folgende Aufgabenteile zu bearbeiten:Aufg.teil 1: Kurze Beschreibung derzeitiger analytischer Ansätze für RiegelbauweisenAufg.teil 2: Einbau von Riegeln in die Kipprinne sowie Einrichtung der MesstechnikAufg.teil 3: Durchführung eines vereinbarten Versuchsprogramms1

2 AufgabenstellungAufg.teil 4: ErgebnisauswertungAufg.teil 5: Erstellung einer Thesis, einer Kurzfassung und einer PräsentationHinweise zur Bearbeitung: Der Kandidat soll mit der Bearbeitung dieser Aufgabe zeigen,dass er eine komplexe Aufgabenstellung im Bauingenieurwesen selbständig bearbeitenkann. Dabei soll er auch eine kritische Diskussion der Teilergebnisse führen.Wir wünschen dem Kandidaten bei der Bearbeitung dieser Aufgabe viel Erfolg.Wuppertal, 2011-01-13

Teil IEinführung

1 EinleitungHeutzutage unterliegen Flieÿgewässer vielfältigen und intensiven anthropogenen Nutzungen.Dazu gehört beispielsweise die Trinkwassergewinnung, der Hochwasserschutz oder dieGewinnung von Energie mittels Wasserkraft. Erreicht wird dies durch den Bau von Stauanlagen.Flussmorphologische Gründe zur Errichtung von solchen Querbauwerken können der Aufstauzur Stützung der Wasserstände bis hin zur Stabilisierung der Flusssohle sein. Durchdas Aufstauen von Flieÿgewässern verändern sich die Ausprägung sowie die Qualitätvon Flieÿgewässerbiotopen maÿgeblich. So beeinussen Absperrbauwerke die longitudinaleDurchgängigkeit des Flieÿgewässers negativ. Damit ist oft eine ungehinderte Passierbarkeitfür aquatische Organismen nicht mehr gewährleistet. In Kombination mit anderen Faktorenwie zum Beispiel der Gewässerverschmutzung führt dies langfristig zum Rückgang bishinzum Aussterben von Fischpopulationen.Im Zuge der EU-Wasserrahmenrichtlinie wird die Wiederhestellung der Durchgängigkeitvon Flieÿgewässern als Teilziel zum Erreichen eines sogenannten guten ökologischen Zustandsaufgeführt (EU-WRRL, 2000). Dies soll unter Anderem durch den Abriss nichtmehr benötigter Querbauwerke erreicht werden. Ist ein vollständiger Rückbau eines Querbauwerksnicht möglich, kann auf die Anlage eines Umgehungsgerinnes zurückgegrienwerden. Eine weitere Möglichkeit zur Wiederherstellung der Durchgängigkeit stellt diegänzliche Renaturierung dar. Diese wird durch den Bau von Sohlenrampen und Sohlengleitenerreicht, welche zur Überwindung von groÿen Höhenunterschieden bei Sohlneigungenzwischen 1:10 und 1:50 verwendet werden. Sohlenrampen und Sohlengleiten gehören zurGruppe der Sohlenstufen, welche wiederum Sohlenbauwerken zuzuordnen sind. Sohlenbauwerkelassen sich in Sohlenstufen und Schwellen gliedern. Abstürze und Absturztreppenwerden ebenfalls zu Sohlenstufen gezählt. Sohlenrampen und Sohlengleiten unterscheidensich lediglich in ihrem Längsgefälle (DIN 19661, 2000). Die Umwandlung der aus der Flieÿgeschwindigkeitresultierenden Energie geschieht durch eine rauhe Sohle oder Störsteine.Die Störelemente können unstrukturiert, beziehungsweise aufgelöst oder in Form von Rie-5

6 1 Einleitunggeln angeordnet sein. Die Anordnung von Riegeln führt zur Bildung von Beckenstrukturen.Die folgende Arbeit befasst sich mit der Hydraulik von Blockrampen in Riegelbauweise.Abbildung 1.1 zeigt eine Darstellung einer solchen Blockrampe im Bauzustand.Abbildung 1.1: Blocksteinrampe in Riegelbauweise im Bauzustand, Bildquelle: Wupperverband

2 Blocksteinrampen2.1 AllgemeinesNach Aberle (2007) werden Blockrampen als Bauwerke, die in Flieÿgewässern zur Wiederherstellungder Durchgängigkeit, zur Anhebung des Niedrigwasserstandes oder zurSicherung der Gewässersohle errichtet werden, verstanden. Dies soll durch kontrollierteEnergieumwandlung erreicht werden. Aufgrund der EU-WRRL (2000) müssen in Europasämtliche maÿgeblich anthropogen veränderten Gewässer in einen naturnahen Zustandzurückversetzt werden. Die Konstruktion von Blockrampen stellt dabei eine Möglichkeitzur Überwindung von groÿen Höhenunterschieden dar. Dabei werden zwei Haupttypen vonBlockrampen unterschieden.ˆ Typ A: Raue Sohleeine Vielzahl an Blöcken bedecken als eine Art Sohlrauheit eng gepackt den Bodenˆ Typ B: StörtseinbauweiseSteinblöcke sind isoliert oder in einer bestimmten geometrischen Konguration gruppiertangeordnet (Tagmani et al., 2010)Die Eignung beziehungsweise Anwendbarkeit hängt hierbei nicht nur von Stabilitätskriteriensondern auch von der ökologischen Nachhaltigkeit ab. Besonderes Augenmerk wirdhierbei auf Wasserstände und Flieÿgeschwindigkeiten gelegt. (Tagmani et al., 2010).Rahmenbedingungen für die Konstruktion von Blockrampen sind in nationalen Richtlinienwie in DVWK 232 (1996) und in DWA (2010) festgelegt. Dabei handelt es sich umEmpfehlungen und keine zwingenden Vorgaben.7

8 2 Blocksteinrampen2.2 BauweisenTyp A: Raue SohleNach Tagmani et al. (2010) wird bei dieser Bauweise zwischen verzahnten und geschüttetenBlockrampen unterschieden. Die äquivalente Bezeichnung nach Aberle (2007) lautetgeschlichtete beziehungsweise geschüttete Bauweise. Dabei handelt es sich bei der geschlichtetenBauweise um einzeln einlagig hochkant gestellte Steine auf einem Filteraufbau. Diegeschüttete Bauweise zeichnet sich durch eine mehrlagige Steinschüttung aus, bei der dieRauheit gegebenenfalls durch einzelne Störsteine erhöht werden kann.Typ B: StörsteinbauweiseBei dieser Bauweise wird zwischen strukturiert, unstrukturiert und selbststrukturiert angeordnetenStörsteinen unterschieden.Unter strukturierten Störsteinen werden Blöcke verstanden, die einem bestimmten geometrischenMuster folgend angeordnet sind . Ein typisches Beispiel ist hierbei die Anordnungin Form von Riegeln (siehe Abbildung 2.1(a)). Gemäÿ DVWK 232 (1996) sowie DWA(2010) gelten nachfolgend aufgeführte Konstruktionsparameter.Der Abstand der Riegel sollte im Bereich zwischen drei und fünf Metern liegen. Die maximaleDierenz der Wasserstände zweier aufeinander folgender Becken darf nicht gröÿerals 0,2 Meter sein. Der Wasserstand in den einzelnen Becken muss mindestens 0,3 bis0,4 Meter betragen. Die maximale Flieÿgeschwindigkeit darf 2,0 m/s nicht überschreiten.Bei der Konstruktion sind sehr ache Abschnitte, Bereiche mit sehr hohen Turbulenzen,Kurzschluÿströmungen sowie abgelöste Überfallstrahlen zu vermeiden. Eine Leistungsdichteder Energiedissipation von 150 W/m 3 sollte zur Gewährleistung einer turbulenzarmenBeckenströmung nicht überschritten werden. Die Leistungsdichte bestimmt sich über denHöhenunterschied der Riegel, den Durchuss sowie das mittlere Wasservolumen in denBecken.Bei unstrukturierten Blockrampen handelt es sich um Störsteinanordnungen die keinembestimmten Muster folgen (siehe Abbildung 2.1(b)). Dabei wird eine bestimmte Riegeloderauch Störsteinkonzentration angestrebt, welche sich als Verhältnis der mit Störsteinenbedeckten Sohle zur Gesamtäche dieser deniert(Tagmani et al., 2010).Die folgende Arbeit befasst sich mit der Hydraulik von strukturierten Blockrampen inRiegelbauweise. Da für die anderen Bauweisen, insbesondere für unstrukturierte Blockrampen,diverse Untersuchungen verfügbar sind ( zum Beispiel Pagliara & Chiavaccini

2.3 Abusszustände und Abussregime 9(2006a), Pagliara et al. (2008), Ahmad et al. (2010)) werden diese in der folgendenArbeit nicht näher betrachtet.(a) Strukturierte Blockrampe in Riegelbauweise,(b) Unstrukturierte Blockrampe, Quelle: www.sz.chQuelle: www.wupperverband.deAbbildung 2.1: Bauweisen von Blockrampen2.3 Abusszustände und AbussregimeBei strukturierten Blockrampen in Riegelbauweise kommt es in Abhängigkeit von Durch-uss und Neigung zu drei unterschiedlichen Abussregimen. Diese können durch das Verhältnisvon Wasserstand h und Riegelhöhe h b beschrieben werden.Unter der sogenannten Beckenströmung versteht man einen Abusszustand bei kleinenDurchüssen. Der Wasserstand im Gerinne ist hierbei kleiner als die Höhe der Riegel(hh b ). Die einzelnenRiegel werden vollständig überspült und die Wasseroberäche im Rampenbereich zeigt eine

10 2 Blocksteinrampengewellte Form über den Riegeln. Es kann zu Wechselsprüngen in den einzelnen Beckenkommen. Zwischen den Riegeln kommt es zu starken Verwirbelungen.Die Gerinneströmung tritt bei groÿen Durchüssen auf, wenn der Wasserstand deutlichgröÿer ist als die Riegelhöhe (h>>h b ). Der Einuss der Riegel ist an der Oberäche kaumnoch sichtbar. An der Wasseroberäche stellt sich ein nahezu gleichförmiger Flieÿzustandein. Die Riegel beeinussen den Abuss nur noch als Sohlrauheit.2.4 BemessungsabussUnter dem Bemessungsabuss wird der Abuss eines mehrjährig wiederkehrenden Hochwasserereignissesverstanden. Die Standsicherheit des Bauwerks muss hierfür gewährleistetsein (Aberle, 2007). Wichtig ist für die Bemessung des Deckwerks, dass derjenige Abussmaÿgebend ist, bei dem die gröÿten Flieÿgeschwindigkeiten auf dem Bauwerk auftreten(DVWK 232, 1996). Weiterhin sind die den Druchüssen entsprechenden Wasserständezu betrachten, um sicher zu gehen, dass auch die Uferbereiche ausreichend befestigt sind.Nach DWA (2010) ist eine Blocksteinrampe für zwei maÿgebliche Ereignisse zu bemessen:(1) für Q 30 und (2) für Q 330 . Darunter versteht man ein Abussereignis, welches an 30bzw. 330 Tagen im Jahr nicht überschritten wird.2.5 RückstauBei gröÿeren Hochwasserereignissen wird das Unterwasser aufgestaut. Es wird von einemströmenden Abuss ausgegangen. Der dabei entstehende Rückstau geht bis zu einem bestimmtenPunkt auf der Rampe zurück, in dem es zu einem Wechsel des Flieÿzustandeskommt (vergleiche Abb. 2.2(b)) . Mit göÿer werdendem Abuss wandert dieser Punkt inRichtung Rampenkrone (siehe Abb. 2.2(c)). Dies geschieht bis zu der Stelle, an dem derUnterwasserspiegel den zur Grenzwassertiefe gehörenden Wasserstand auf der Rampenkroneüberschreitet und sich ein durchgehend strömender Abuss einstellt (siehe Abb. 2.2(d))(Aberle, 2007). Dies beeinusst die komplette Hydaulik der Rampe. Im Folgenden wirdvon einer nicht eingestauten Situation ausgegangen, um eine grundsätzliche Betrachtungder Hydraulik auf dem Bauwerk zu ermöglichen.

2.5 Rückstau 11(a)(b)(c)(d)Abbildung 2.2: Abusszustände für zunehmende Durchüsse (DVWK 118, 1997)

12 2 Blocksteinrampen

3 Stand der Forschung3.1 EnergieumwandlungUnter Energieumwandlung versteht man im Allgemeinen den Übergang einer wandelbarenEnergieform in Wärmeenergie. Auf diesen Fall angewandt bedeutet das die Wandlungder aus der Flieÿgeschwindigkeit resultierenden kinetischen Energie in Wärmeenergie überdie Rampenlänge. Für unstrukturierte Blockrampen sind verschiedene Untersuchungenverfügbar. Anwendbare Ansätze liefern Pagliara & Chiavaccini (2006a), Pagliara& Chiavaccini (2006b), Pagliara & Chiavaccini (2006c), Pagliara et al. (2008),Ahmad et al. (2010). Unter der relativen Energiedissipation wird das Verhältnis aus derEnergiedierenz von einem Anfangs- und einem bestimmten Endpunkt auf der Rampe zurEnergie am Anfangspunkt verstanden (Pagliara & Chiavaccini (2006a),Pagliara &Chiavaccini (2006c)).∆E r = ∆EE 0= (E 0 − E 1 )E 0(3.1)und(∆E r = A + (1 − A)exp B + CS h ())c Γ1 +H E + F Γ(3.2)13

14 3 Stand der Forschungmit:E 0 = AnfangsenergiehöheE 1 = Energiehöhe am Endpunkt∆E = absolute Energiedissipation∆E r = relative EnergiedissipationA, B, C, D, E, F = ParameterS = Gefälle der Rampeh c = GrenzwassertiefeH = RampenhöheΓ = RiegelkonzentrationDie Anfangsenergiehöhe, für welche üblicherweise die Energiehöhe an der Rampenkronegewählt wird, lässt sich mit der Bernoulli-Gleichung berechnen. Diese ist von der mittlerenFlieÿgeschwindigkeit und dem mittleren Wasserstand abhängig. Diese sind für das jeweiligeAbussregime sinnvoll zu wählen.E 0 = E 1 + h l (3.3)U022g + h 0 + z 0 = U 122g + h 1 + z 1 + f L U m,0..14h 2g(3.4)mit:h 0 = Wasserstand am Punkt 0h 1 = Wasserstand am Punkt 1z 0 = geodätische Höhe am Punkt 0z 1 = geodätische Höhe am Punkt 1f = Rauhigkeitsbeiwert nach Darcy-Weisbachh l = Energieverlusthöhe

3 Stand der Forschung 153.2 StrömungswiderstandFür die Berechnung mittlerer Wasserstände auf Blockrampen ist die Kenntnis entsprechenderFlieÿwiderstände notwendig. Bei der Bestimmung dieser wird vereinfacht angenommen,dass auf der Rampe nahezu ein gleichförmiger Normalabuss herrscht. Dahersind Berechnungen zum Flieÿwiederstand nur im Abussregime der Gerinneströmung sinvollzu führen. Der Flieÿwiederstand wird üblicherweise unter der Verwendung der Darcy-Weisbach-Widerstandsbeiwerte f bestimmt. Diese können wie folgt allgemein deniert werden(Pagliara & Chiavaccini, 2006c), (Rice et al., 1998):√8f = U U ∗ =√ U( ) h= A log + B (3.5)ghS Dmit:f = Darcy-Weisbach-WiderstandsbeiwertU = mittlere FlieÿgeschwindigkeitU ∗ = Schubspannungsgeschwindikeitg = Erdbeschleunigungh = mittlerer WasserstandS = Gefälle der RampeA, B = ParameterD = äquivalente Sandrauheit

16 3 Stand der ForschungIn Abhängigkeit der Störsteinkonzentration Γ denieren Pagliara & Chiavaccini(2006c) die Rauhigkeitsbeiwerte wie folgt:√8f = 3.5(1 + Γ)C S −0.17 ( hD 84) 0.1(3.6)wobei:Γ = N bπD 2 b4W L(3.7)mitC = Parameter für das StörsteinmaterialΓ = StörsteinkonzentrationD 84 = Durchmesser des Sohlmaterials für das 84 Prozent feiner sindN b = Anzahl der RiegelD b = mittlerer RiegeldurchmesserL = Länge der RampeW = Breite der Rampe

Teil IIExperimenteller Versuchsaufbau

4 Physikalisches Modell4.1 KipprinneDie im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Versuche werden an einer Kipprinne imWasserbaulabor des Lehr- und Forschungsgebietes Wasserwirtschaft und Wasserbau derBergischen Universität Wuppertal durchgeführt.Die Kipprinne bestitzt eine Länge von L M = 9 m und eine Breite von B M = 0,8 m.Die Kipprinne ist im Zuussbereich drehbar gelagert. Im Unterwasserbereich ist die Rinnedurch zwei Stützen gehalten, die durch Drehvorrichtungen in der Höhe verstellbar sind.Durch diese Vorrichtung lassen sich Gefälle bis zu S = 1:10 einstellen. Der Zuuss wirddurch ein Rohrpaket beruhigt (siehe Abbildung 4.1(b)). Am Ende der Rampe bendetsich ein Wehr. Der Unterwasserstand kann damit variiert werden um eine Einstausituationzu simulieren In Abbildung 4.2(a) und Abbildung 4.2(b) ist der Aufbau des Modellsdargestellt.(a) Kipprinne(b) Rohrpaket im ZulaufbereichAbbildung 4.1: Physikalisches Modell19

20 4 Physikalisches Modell(a) Draufsicht(b) Eingebaute RiegelAbbildung 4.2: Versuchsaufbau4.2 Einbauten4.2.1 RiegeltypenIm Versuchsprogramm wird zwischen drei Riegeltypen unterschieden (CB1, CB2, CB3).Dabei handelt es sich bei CB1 und CB3 um die gleiche Riegelform, die mit unterschiedlichemAbstand verbaut werden. Für den Riegeltyp CB1 beträgt der Riegelabstanddas Fünache des Riegeldurchmessers. Für den Riegeltyp CB3 das Siebenfache desRiegldurchmessers. Für die Riegel werden aus einer 60 mm starken XPS-Platte 60 mmbreite Streifen gesägt. Somit ergibt sich ein Riegel mit einem quadratischen Querschnittmit einer glatten Oberäche (siehe Abb. 4.3(a)). Mit der zweiten Riegelform wird einenaturnahe Form der Oberäche, welche eine Vielzahl an Unregelmäÿigkeiten aufweist,simuliert. Die Grundmaÿe von 60 mm x 60 mm bleiben erhalten, wobei an der Oberächeein scharfkantiger Abbruch der Riegel erfolgt (siehe Abb. 4.3(b)).

4.2 Einbauten 21(a) CB1, Rechteckquerschnitt(b) CB2, naturnahAbbildung 4.3: Riegelformen

22 4 Physikalisches Modell4.2.2 SohlrauheitFür ausgewählte Versuchsläufe werden drei unterschiedliche Sohlrauheiten betrachtet undauf ihre Einüsse untersucht (B1, B2, B3). Bei B1 handelt es sich um das Plexiglas derKipprinne. Die zweite Rauheit wird durch das Einkleben einer Drainfolie in die Zwischenräumeder Riegel erreicht (siehe Abb. 4.4(a)). Die Anordnung erfolgt dabei so, dass dieAusrichtung der Noppen um 45 ◦ zur Flieÿrichtung gedreht ist. Als dritte Rauheit wurdendie Zwischenräume der Riegel mit Kies gefüllt (siehe Abb. 4.4(b)).(a) Kunststofolie als Sohlrauheit(b) KiesfüllungAbbildung 4.4: Sohlrauheiten4.2.3 StauscheibeBei einer Neigung der Kipprinne von 1:10 kommt es vor dem ersten Riegel zu einem Aufstaudes anströmenden Wassers mit Wechselsprung. Dies geschieht durch die hohen Flieÿgeschwindigkeitenbei ungestörtem Zuuss. Es entsteht eine schieÿende Zuusssituationbei der hohe Froudezahlen erreicht werden. Das anströmende Wasser prallt unmittelbarauf den ersten Riegel und erzeugt dabei einen Wechselsprung mit einer stehenden Welle.Deshalb erfolgt bereits am ersten Riegel eine groÿe Energieumwandlung. Um diesen Eektweitestgehend zu reduzieren, wird eine Edelstahllochscheibe im Oberwasser 80 cm oberhalbdes ersten Riegels senkrecht zur Flieÿrichtung eingebaut (siehe Abb. 4.5). Auf denEinuss der Stauscheibe auf das Abussverhalten wird im Folgenden näher eingegangen.

4.3 Versuchsprogramm 23Abbildung 4.5: Stauscheibe für S = 1:104.3 VersuchsprogrammIm Rahmen der Modellversuche wird ein umfangreiches Versuchsprogramm gefahren. Variablensind hierbei Riegelform, Riegelabstand, Neigung S, Sohlrauheit und der DurchussQ. Für die drei Riegelformen werden Messungen mit der Sohlrauheit B1 für alle in Tabelle4.1 betrachteten Durchüsse für die Neigungen 1:10, 1:30 und 1:50 durchgeführt. Für dieSohlrauhheiten B2 und B3 werden hier jeweils exemplarisch Messungen bei einer Neigungvon 1:50 für die Duchüsse 5, 50 und 100 l/s durchgeführt. Für die Riegelformen CB2und CB3 wird auf Messungen mit den Sohlrauheiten B2 sowie B3 verzichtet. Für dieseFälle werden für die Rauheit B1 Messungen mit allen Neigungen und Durchüssen gefahren.Zudem werden ausgewählte Messläufe als Reproduzierung zweifach ausgeführt. DasVersuchsprogramm ist in Tabelle 4.2 tabellarisch dargestellt.Tabelle 4.1: VersuchsparameterRiegel Sohlrauheit Neigung Durchuss [l/s]CB1 B1 01:10 5CB2 B2 01:30 10CB3 B3 01:50 15203040506080100

24 4 Physikalisches ModellTabelle 4.2: Übersicht VersuchsprogrammCB1 Neigung S 5 l/s 10 l/s 15 l/s 20 l/s 30 l/s 40 l/s 50 l/s 60 l/s 80 l/s 100 l/s1:10 + + + + + + + + + +B1 1:30 + + + + + + + + + +1:50 + + + + + + + + + +1:10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0B2 1:30 0 0 0 0 0 0 0 0 0 01:50 + 0 0 0 0 0 + 0 0 +1:10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0B3 1:30 0 0 0 0 0 0 0 0 0 01:50 + 0 0 0 0 0 + 0 0 +CB2 Neigung S 5 l/s 10 l/s 15 l/s 20 l/s 30 l/s 40 l/s 50 l/s 60 l/s 80 l/s 100 l/s1:10 + r + + + + r + + r + + + rB1 1:30 + + + + + r + + r + + + r1:50 + + + + + + + + + +CB3 Neigung S 5 l/s 10 l/s 15 l/s 20 l/s 30 l/s 40 l/s 50 l/s 60 l/s 80 l/s 100 l/s1:10 + + + + + + + + + +B1 1:30 + + + + + + + + + +1:50 + + + + + + + + + ++ = Versuchslauf durchgeführt 0 = Versuchslauf nicht durchgeführt r = zusätzlicher Reproduktionslauf durchgeführt

5 Messtechnik5.1 UltraschallsensorenZur Messung der Wasserstände im Bereich des Blockrampenmodells wird ein Ultraschallmesssystemvom Typ UltraLab ULS des Herstellers General Acoustics verwendet. Dabeihandelt sich um ein Messsystem mit vier voneinander unabhängigen Kanälen die jeweilsmit einem Sensor belegt werden können. In diesem Fall bendet sich ein fest installierterSensor (USS 60350) etwa 120 cm oberhalb der Rampenkrone zur Messung des Oberwasserstandes.Ein zweiter Sensor (USS 635) ist im Unterwasser etwa 30 cm hinter dem letztenRiegel fest installiert. Ein dritter und vierter Sensor vom gleichen Typ sind nebeneinanderin Gerinnemitte und 18 cm daneben auf einer beweglichen Schiene befestigt, welchedurch einen Schrittmotor längs entlang der Blockrampe automatisch bewegt werden. DenSensoren sind laut Hersteller die in Tabelle 5.1 dargestellten Eigenschaften zuzuordnen.Tabelle 5.1: Technische Eigenschaften und Abbildung der Ultraschallsensoren; Quelle:www.generalacoustics.comTyp USS 635 USS 60350Anzahl 3 1min. Abstand 60 mm 60 mmmax. Abstand 350 mm 350 mmFrequenz 400 kHz 400 kHzGenauigkeit 0,18 mm 0,18 mmReproduzierbarkeit ± 0,18 % ± 0,18 %Ausgabe 75 Hz 15 Hzanalog 0-10 V 0-10 V25

26 5 Messtechnik5.2 Isel SchrittmotorDer verwendete Schrittmotor ist ein Spindel-Mutter-Motor des Herstellers ISEL Automation,welcher über einen C 142-4 Schrittmotorcontroller der selben Marke angesteuertwird. Die eingebaute Spindel besitzt eine Steigung von 2,5 mm mit 400 Schritten proUmdrehung. Das ergibt eine eine Schrittlänge von 0,00625 mm pro Schritt.(a) Isel Schrittmotorcontroller(b) Spindelmuttermotor mit angebauten UltraschallsensorenAbbildung 5.1: Automatisiertes isel Schrittmotorsystem

5.3 Messsoftware 275.3 MesssoftwareAls Messsoftware wurde die am Lehr- und Forschungsgebiet für Wasserwirtschaft und Wasserbauder Bergischen Universität Wuppertal entwickelte Oberäche isel USS GUI (sieheAbb. 5.2) verwendet. Mit der Software ist es möglich, die von den Ultraschallsensorenausgegebenen Spannungssignale in Wasserstände umzurechnen und diese über den Verlaufder Zeit grasch darzustellen. Die gemessenen Wasserstände werden als Datensatz untereinem vorher denierbaren Dateinamen abgespeichert. Um die Wasserstände errechnenzu können wird zunächst eine Osetmessung durchgeführt, welche den WasserstandNull deniert. Die Oset-Messwerte werden für jeden Sensor in einer temporären Dateigespeichert und bestimmen den Wert, um den die Kalibrierungsgerade für jeden Sensorin den Nullpunkt verschoben werden soll. Auÿerdem kann in der Software eine bestimmteMessstrecke sowie die Anzahl der einzelnen Schritte innerhalb dieser festgelegt werden.Die Oberäche bietet weiterhin vielfältige Einstellungsmöglichkeiten wie beispielsweisedie Einstellung der Schrittgeschwindigkeit oder der Dauer der Kommunikationspausenzwischen den Einzelmessungen.Abbildung 5.2: Oberäche der Messoftware

28 5 Messtechnik5.4 MessunsicherheitenIm Rahmen der gefahrenen Messungen sind eventuelle Einüsse auf die ausgegebenen Datenaufgrund von Messunsicherheiten zu berücksichtigen.5.4.1 MittelwertbildungDie verwendeten Ultraschallsensoren Messen mit einer Frequenz von 75 Hertz. Die Dauereiner Einzelmessung an einer bestimmten Stelle der Messstrecke beträgt zehn Sekunden.Die benutzte Oberäche zur Steuerung des Messprogramms bildet selbstständig den Mittelwertjeder Einzelmessung. Kommt es bei einer Messung zu einer groÿen Streuung derMesswerte hat dies Auswirkung auf die Mittelwertbildung. Viele Ausreiÿer während einerMessung führen zu einer Abweichung des ermittelten Mittelwerts. Ausreiÿer entstehen zumBeispiel durch eine turbulente Wasseroberäche oder bei stehenden Wellen.5.4.2 MesstechnikDie Messgenauigkeit der Sensoren beträgt laut Hersteller 0.18 mm. Die Reproduzierbarkeitliegt laut Angabe bei +/- 0.18 Prozent. Der Ultraschall der Sensoren verläuft kegelförmig.Je weiter der Abstand zwischen Messobjekt und Sensor ist desto gröÿer wird der Streuradius.Der Einuss daraus wird bei einer Trockenmessung der Rampe sichtbar. In Abbildung5.3 ist erkennbar, dass das Messergebnis des Sensors nicht mit der tatsächlichenRiegelform übereinstimmt. Der Sensor kann aufgrund der nicht senkrecht verlaufendenMessstrahlen die Riegelform nicht richtig erfassen.h [mm]300250200150100500CB1, B1, Q = 0 l/scross-bars USS measured buttom150 120 90 60 30 6 0x [cm]h [mm]300250200150100500CB3, B1, Q = 0 l/scross-bars USS measured buttom210 168 126 84 42 6 0x [cm](a) Leermessung für CB1(b) Leermessung für CB3Abbildung 5.3: Sensorstreuung bei Trockenmessung

5.4 Messunsicherheiten 295.4.3 DurchussDer laboreigene Wasserkreislauf wird von drei Pumpen versorgt. Dabei liegen jeweils zweiPumpen mit einer Leistung von jeweils 30 l/s sowie die dritte mit einer Leistung von etwa50 l/s auf einer seperaten Rohrleitung. Über mehrere per Hand einzustellende Drosseln sinddiese im Durchuss zu regeln. Gemessen wird dieser von zwei Induktiven Durchussmessgeräten(IDM) der Firma Krohne (siehe Abb. 5.4(a)). Das IDM misst in Litern pro Sekundemit einer Genauigkeit von einer Nachkommastelle. Dies entspricht folglich der möglichenEinstellgenauigkeit. Durchüsse gröÿer 50 l/s sind nicht mehr über eine Rohrleitung zu erreichenund müssen daher als Summe der Durchüsse beider Leitungen eingestellt werden.Die Einstellgenauigkeit sowie Schwankungen in der Pumpenleistung erzeugen hier einenFehler, der aber zu vernachlässigen ist.(a) Induktives Durchussmessgerät(b) IDM Display(c) Drossel zur Durch-ussregulierungAbbildung 5.4: Durchussmessgerät und Drossel

30 5 Messtechnik

Teil IIIErgebnisanalyse

6 Wasserspiegellagen6.1 VersuchsdurchführungWie bereits beschrieben ist ein Ultraschallsensor auf der beweglichen Schiene des Schritmotorsbefestigt. Nach dem Einstellen des gewünschten Durchusses und der gewünschtenNeigung kann die Messung gestartet werden. Hierbei werden die Wasserstandsdatenerzeugt, während der Sensor in 'Ein-Zentimeter-Schritten' die vorher in der Benutzerober-äche denierte Messtrecke abfährt. Die beiden Sensoren im Ober- und Unterwasser (vorund nach dem ersten und letzten Riegel) messen dabei kontinuierlich die Wasserstände füralle Versuchsläufe.6.2 Phänomene und Strömungsregime6.2.1 Neigung S = 1:10Das in Kapitel 4.3 beschriebene Messprogramm beginnt mit der ersten Riegelform beieiner Neigung von 1:10. Bei einem Durchuss von 5 l/s strömt das Wasser über die Riegelvon Becken zu Becken (vergleiche Abb 6.1(a)). Dabei kommt es zu Verwirbelungenunmittelbar hinter den Riegeln. Betrachtet man den Bereich zwischen zwei Riegeln ist zuerkennen, dass sich zwei Wirbel bilden, welche in entgegengesetzter Richtung drehen (sieheAbb. 6.2). Wirbel A dreht weniger turbulent als Wirbel B. Im Bereich direkt hinter demRiegel bildet sich damit eine Ruhezone aus. Bei 10 l/s sieht das Flieÿbild ähnlich aus. DieWirbelbildung ist ebenfalls zu beobachten. Die Gröÿe der Verwirbelungen veändert sichjedoch mit zunehmendem Durchuss. So wird der in Flieÿrichtung erste Wirbel mit zunehmendenDurchuss kleiner und der zweite gröÿer. Auf der Wasseroberäche sind keineEekte einer dreidimensionalen Strömung zu erkennen. Der Abusszustand entspricht demder Beckenströmung.33

34 6 WasserspiegellagenWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:10, Q = 5 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:10, Q = 10 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(a) Q = 5 l/s(b) Q =10 l/sWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:10, Q = 15 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:10, Q = 20 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(c) Q = 15 l/s(d) Q = 20 l/sAbbildung 6.1: Wasserspiegellagen für Q = 5-20 l/s und S = 1:10Abbildung 6.2: Verwirbelungen hinter den Riegeln; Flieÿrichtung von links nach rechtsBei einem Durchuss von Q = 15 l/s beginnt der Übergangsbereich zum gewellten Abuss.Es gibt keinen bestimmten Durchuss bei dem der Abusszustand von Beckenströmungzum gewellten Abuss umschlägt. Der Übergang passiert ieÿend. Wie auf Abbildung 6.3zu sehen ist, kommt es hinter jedem Riegel zur Ausbildung von stehenden Wellen. Dieeingeschlossenen Luftblasen machen Verwirbelungen sichtbar.Der Abusszustand bei einem Durchuss von Q = 20 l/s zählt immer noch zum Übergangsbereichzwischen Beckenströmung und gewelltem Abuss. Die Wasseroberäche istim Vergleich zu Q = 15 l/s stärker gewellt. Es gibt mehr Lufteinschlüsse.

6.2 Phänomene und Strömungsregime 35Abbildung 6.3: Ausbildung von stehenden Wechselsprüngen bei Q= 15 l/sAb einem Durchuss Q = 30 l/s ist der Zustand des gewellten Abusses vollständigerreicht. In der Mitte jedes Beckens bendet sich eine stehende Welle, welche eineSchaumkrone aus Luftblasen hat. Das Strömungsbild ist über den Gerinnequerschnittgleich (vergleiche Abb 6.4). Bei einem Durchuss von Q = 40 l/s prägt sich die gewellteWasseroberäche noch stärker aus. Die Lage des Wellentals in jedem Becken wandert mitzunehmendem Durchuss in Richtung Unterwasser. Das ist auch anhand der ermitteltenMessdaten sichtbar. Der beschriebene Eekt ist beim Vergleich der Wasserspiegellagenbei den Durchüssen Q = 30 l/s und Q = 40 l/s erkennbar (Abb 6.5). Weiterhin istzu beobachten, dass ein verstärkter Lufteintrag stattndet. Dieser führt zur Ausbildunggröÿerer Schaumkronen, welches wiederum zu den oben beschriebenen Ausreiÿernbei den Messdaten führt. Diese werden als Unstetigkeiten in der Wasserspiegellage sichtbar.

36 6 WasserspiegellagenAbbildung 6.4: Strömungsbild über den Gerinnequerschnitt bei Q = 30 l/sWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:10, Q = 30 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm](a) Q = 30 l/swater surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:10, Q = 40 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm](b) Q = 40 l/swater surfaceAbbildung 6.5: Verschiebung der Wellentäler ins Unterwasser mit zunehmendem Durchuss beiS = 1:10

6.2 Phänomene und Strömungsregime 37Selbstinduzierte AbussinstationaritätenIm Abussregime des gewellten Abusses ist bei der Neigung S = 1:10 ein plötzlichesHerausspringen der einzelnen Wechselsprünge in den Riegelbecken zu beobachten. DiesePeaks setzen sich in Flieÿrichtung über die Rampenlänge fort. Dabei verstärken diese sichvon Becken zu Becken. Das Auftreten dieser aus dem Rahmen fallenden Wellenamplitudenfolgt keiner erkennbaren zeitlichen Abhängigkeit. Thorwarth (2008) beobachtet einähnliches Phänomen bei der Untersuchung der Hydraulik von Treppengerinnen mit eingetieftenStufen. Die beobachtete Instationarität wird dort als Jump Waves bezeichnet.Gemäÿ Thorwarth (2008) sind diese vom Abusssystem selbst induziert und entstehendurch die Verstärkung kleiner Schwankungen der Wasserspiegellagen hinter den erstenWechselsprüngen. Auf das Auftreten des beschriebenen Phänomens wird im Folgendennicht näher eingegangen. Eventuelle Einüsse aus den Instationaritäten sind vernachlässigbar.Sie treten bei den Messergebnissen in Form von Ausreiÿern oder Unstetigkeiten aufund werden bei der Ergebnisserstellung nicht berücksichtigt.

38 6 WasserspiegellagenBei einem Durchuss von Q= 50 l/s ist bereits eine erste Glättung der Wasserspiegellageim unteren Bereich der Rampe zu erkennen. Die Amplitude der Wellen über den Riegelnwird kleiner. Die Ausprägung der Wechselsprünge nimmt in Flieÿrichtung ab. Dies istauf den Abbildungen 6.6 zu sehen. Es herrscht ein Übergangszustand zwischen gewelltemAbuss und Gerinneströmung. Die Gerinneströmung wird im unteren Teil der Rampebereits erreicht und panzt sich mit zunehmendem Abuss in das Oberwasser fort.(a)WSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:10, Q = 50 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm](b)water surfaceAbbildung 6.6: Wasserspiegellage bei Q = 50 l/s und S = 1:10Bei einem Durchuss von Q = 60 l/s ist die Wasseroberäche nur noch leicht gewellt. Trotzder eingebauten Stauscheibe kommt es zur Ausbildung der stehenden Aufstauwelle überdem ersten Riegel. Ein Wechselsprung gibt es nur noch im ersten Becken. Weiter unterhalbgeht der Abuss in die Gerinneströmung über (Abbildung 6.7). Die Lufteinschlüsseerreichen den Bereich zwischen den Riegeln kaum noch. Das Wasser überströmt die Rampeab der Höhe der Riegel. Zwischen den Riegeln herrscht deutlich weniger Turbulenz. ZurVeranschaulichung kann man sagen, dass das Wasser zwischen den Riegeln steht und nurüber den Riegeln hinweg strömt.

6.2 Phänomene und Strömungsregime 39(a) Glättung der Wasserspiegellage in FlieÿrichtungWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:10, Q = 60 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm](b) Gemessene Wasserspiegellagewater surfaceAbbildung 6.7: Wasserspiegellage bei Q = 60 l/s und S = 1:10Bei Q = 80 l/s und Q = 100 l/s ist das Abussregime der Gerinneströmung ab dem drittenRiegel vollständig erreicht. Der Aufstau an der Rampenkrone vergröÿert sich nochmals. Aufder gesamten Rampenlänge gibt es keine Wechselsprünge mehr.

40 6 Wasserspiegellagen6.2.2 Neigung S = 1:30Für die nächsten Messungen wird die Neigung der Kipprinne auf S = 1:30 eingestellt.Die Messungen werden wieder für die gleichen Zehn Durchüsse zwischen Q = 5 l/s undQ = 100 l/s gefahren.Dabei lassen sich die Abusszustände der einzelnen Durchüsse wie folgt den bekanntenAbussregimen zuordnen. Für Durchüsse von Q = 5 l/s bis Q = 20 l/s entspricht dasAbussregime dem der Beckenströmung. Bei einem Durchuss von Q = 5 l/s ist eine glatteWasseroberäche zu beobachten. Es ist keine deutliche Ausprägung von stehenden Wellenzu erkennen. Wie auf Abbildung 6.8(a) zu sehen ist, entstehen keine Lufteinschlüsse. DieBeobachtungen decken sich mit den ermittelten Messergebnissen (siehe Abbildung 6.8).(a) Glatte WasseroberächeWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:30, Q = 5 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm](b) Gemessene Wasserspiegellagewater surfaceAbbildung 6.8: Wasserspiegellage bei Q = 5 l/s und S = 1:30Bei einem Abuss von Q = 10 l/s beginnt sich eine stehende Welle hinter dem ersten Riegelauszubilden. Dies ist auf Abbildung 6.9 zu sehen. Vergleicht man die Wasseroberächen

6.2 Phänomene und Strömungsregime 41bei Q = 5 l/s und Q = 10 l/s fällt auf, dass diese mit zunehmenden Durchuss unruhigerwird. Oberächenwellen prägen sich aus.(a) WasserspiegellageWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:30, Q = 10 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm](b) Gemessene Wasserspiegellagewater surfaceAbbildung 6.9: Wasserspiegellage bei Q = 10 l/s und S = 1:30Bei einem Durchuss von Q = 15 l/s prägt sich die stehende Welleim ersten Becken nochdeutlicher aus. Beim nächstgröÿeren gemessenen Durchuss von Q = 20 l/s beginnt derÜbergang von Beckenströmung zum gewellten Abuss. Die für den gewellten Abuss typischegewellte Wasseroberäche lässt sich bereits im Ansatz erkennen (siehe Abbildung6.10).Allgemein fällt auf, dass im Abussregime der Beckenströmung bei einer Neigung vonS = 1:30 im Vergleich zu S = 1:10 deutlich weniger Turbulenz herrscht und deshalb auchdeutlich weniger Lufteintrag erfolgt. Das hat zur Folge, dass es eine geringere Streuung beiden Messungen mit den Ultraschallsensoren gibt.

42 6 Wasserspiegellagen(a) WasserspiegellageWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:30, Q = 20 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm](b) Gemessene Wasserspiegellagewater surfaceAbbildung 6.10: Wasserspiegellage bei Q = 20 l/s und S = 1:30Für die betrachtete Neigung von S = 1:30 können die Durchüsse Q = 30 l/s und Q = 40 l/sdem Regime des gewellten Abusses zugeordnet werden. Bei einem Abuss von Q = 30 l/sbilden sich in der Mitte eines jeden Beckens stehende Wellen mit Wechselsprung aus. Abbildung6.11 zeigt die für den beschriebenen Abusszustand charakteristische gewellte Wasseroberächeüber den Riegeln. Diese bildet sich auch bei einem Abuss von Q = 40 l/s aus.Lediglich die Lage der Wellenscheitel verschiebt sich ein Stück in Richtung Unterwasser.Dies erkennt man beim Vergleich der gemessenen Wasserspiegellagen beider Durchüsse(siehe Abbildung 6.12). Die Abüsse Q = 50 l/s und Q = 60 l/s benden sich im Übergangsbereichzwischen gewellltem Abuss und Gerinneströmung. Letztere wird dabei imunteren Teil der Rampe bereits erreicht und panzt sich mit zunehmendem Durchuss insOberwasser fort.

6.2 Phänomene und Strömungsregime 43Der gleiche Eekt wurde auch schon bei der Neigung S = 1:10 beobachtet. Abbildung6.13 zeigt die entsprechenden Wasserspiegellagen für die betrachteten Durchüsse.Abbildung 6.11: Charakteristische gewellte Wasseroberäche bei Q = 30 l/sBei der Neigung S = 1:30 sind die Abüsse Q = 80 l/s und Q = 100 l/s dem Regime derGerninneströmung zuzuordnen. Auf Abbildung 6.14 ist die Glättung der Wasseroberächezu erkennen. Trotz der eingebauten Stauscheibe kommt es zu einem leichten Aufstau vordem ersten Riegel. Der Einuss des Aufstaus reicht jedoch nur bis in das erste Becken.Dahinter ist kein Einuss der Riegel auf die Wasseroberäche mehr festzustellen.

44 6 WasserspiegellagenWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:30, Q = 30 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm](a) Q = 30 l/swater surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:30, Q = 40 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm](b) Q = 40 l/swater surfaceAbbildung 6.12: Wasserspiegellagen bei Q = 30 l/s und Q = 40 l/s bei S = 1:306.2.3 Neigung S = 1:50Für die Neigung S = 1:50 verhält sich das Abussverhalten aufgrund des geringen Neigungsunterschiedsanalog zu dem der Neigung S = 1:30. Die Durchussgrenzen für dasErreichen der einzelnen Abussregime verschiebt sich jedoch. Bei Abüssen von Q = 5 l/sbis Q = 20 l/s herrscht eine Beckenströmung. Der Durchuss von Q = 30 l/s liegt imÜbergangsbereich zwischen Beckenströmung und gewelltem Abuss. Ab dem nächsthöherengemessenem Abuss, also Q = 40 l/s, herrscht ein gewellter Abuss. Die DurchüsseQ = 50 l/s und Q = 60 l/s ligen wieder im Übergangsbereich zwischen gewelltem Abussund Gerinneströmung. Wieder wird der Zustand der Gerinneströmung zuerst im unterenTeil der Rampe erreicht und panzt sich mit zunehmendem Durchuss ins Oberwasserfort. Ab einem Durchuss von Q = 80 l/s wird die Gerinneströmung ereicht. Der Ein-uss des Aufstaus über dem ersten Riegel reicht wieder nur bis in das erste Becken. Dieentsprechenden Abbildungen der Wasserstandslinien benden sich im Anhang.

6.3 Abhängigkeit von Neigung und Durchuss 45WSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:30, Q = 50 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm](a) Q = 50 l/swater surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:30, Q = 60 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm](b) Q = 60 l/swater surfaceAbbildung 6.13: Wasserspiegellagen bei Q = 50 l/s und Q = 60 l/s bei S = 1:306.3 Abhängigkeit von Neigung und DurchussIn Tabelle 6.1 sind die Durchussgrenzen für die Abussregime für die einzelnen Neigungenund Abüsse dargestellt. Beim Anfangsdurchuss von Q = 5 l/s herrscht bei allen Neigungender Zustand der Beckenströmung. Betrachtet man die Werte aus der Tabelle lässtsich feststellen, dass sich für kleine und mittlere Abüsse die Durchussgrenzen zum Erreichender Abussregime und Übergangsbereiche nach unten verschieben. Dies bedeutet,dass die Strömungsregime schon bei kleineren Durchüssen erreicht werden. Vergleicht mandie Wasserstandslinien der Neigungen, ist dieser Eekt ebenfalls zu erkennen. Abbildung6.15 zeigt exemplarisch die Einzelnen Wasserstände bei einem Durchuss von Q = 30 l/sfür die Neigungen S = 1:10, S = 1:30 und S = 1:50. Für die Neigung S = 1:10 bendetsich der Abusszustand oensichtlich noch im Bereich des gewellten Abusses, währenddie Ausprägung der Oberächenwellen bei den acheren Neigungen deutlich abnimmt. DerUnterschied zwischen den Neigungen S = 1:10 und S = 1:30 ist gröÿer als der Unterschied

46 6 Wasserspiegellagen(a) WasserspiegellageWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:30, Q = 100 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm](b) Gemessene Wasserspiegellagewater surfaceAbbildung 6.14: Wasserspiegellage bei Q = 100 l/s und S = 1:30zwischen den Neigungen S = 1:30 und S = 1:50. Die ist mit der kleineren Rampenhöhe derNeigungen S = 1:30 und S = 1:50 zu begründen. Abbildung 6.16 zeigt das Abussbild fürdie betrachteten Neigungen bei einem Durchuss von Q = 50 l/s. Auch hier sind die obenbeschriebenen Eekte sichtbar. Tabelle 6.1 zeigt eine Übersicht der Durchussgrenzen fürdie Strömungsregime.

6.3 Abhängigkeit von Neigung und Durchuss 47WSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:10, Q = 30 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm](a) S = 1:10water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:30, Q = 30 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm](b) S = 1:30water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:50, Q = 30 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm](c) S = 1:50water surfaceAbbildung 6.15: Gemessene Wasserspiegellagen aller Neigungen bei Q = 30 l/s

48 6 Wasserspiegellagen(a) S = 1:10(b) S = 1:30(c) S = 1:50Abbildung 6.16: Wasserspiegellagen aller Neigungen bei Q = 50 l/s

6.4 Weitere Einussparameter 49Tabelle 6.1: Durchussgrenzen für die AbussregimeNeigung S 01:10 01:30 01:50Beckenströmung 5 l/s 5 l/s 5 l/s10 l/s 10 l/s 10 l/s15 l/s 15 l/s20 l/sÜbergangsbereich 15 l/s 20 l/s 30 l/s20 l/sgewellter Abuss 30 l/s 30 l/s 40 l/s40 l/s 40 l/sÜbergangsbereich 50 l/s 50 l/s 50 l/s60 l/s 60 l/s 60 l/sGerinneströmung 80 l/s 80 l/s 80 l/s100 l/s 100 l/s 100 l/s6.4 Weitere Einussparameter6.4.1 StauscheibeBei der Neigung von S = 1:10 kommt es bei Durchüssen ab etwa Q = 30 l/s vor dem erstenRiegel aus dem Oberwasser zu einem vergröÿerter Aufstau. Das anströmende Wasserprallt hier ungebremst auf den ersten Riegel und bildet einen Wechselsprung mit stehenderWelle aus. Abbildung 6.18(a) zeigt exemplarisch den entstehenden Aufsta vor demersten Riegel bei einem Durchuss von Q = 50 l/s in der Draufsicht bei einer Neigung vonS = 1:10. Die Länge des Aufstaus vergröÿert sich mit zunehmenden Durchüssen. Je mehrDurchuss über die Rampe geht desto weiter reicht der Aufstau vor dem ersten Riegel indas Oberwasser vor der Rampenkrone. Das anströmende Wasser trit auf den ersten Riegelund wird von diesem in einem Bogen über das Becken zwischen den ersten beiden Riegelngeleitet. Danach trit es direkt auf den zweiten Riegel. Abbildung 6.17(a) zeigt diesesPhänomen für einen Abuss von Q = 60 l/s. Die hierbei entstehenden Wasseroberächeweist eine hohe Turbulenz auf. Auf Abbildung 6.18(b) erkennt man deutlich den durch denersten Riegel entstehenden Aufstau und die dadurch entstehende turbulente Wasserober-äche für einen Durchuss von Q = 80 l/s. Es ist keine zweidimensionale Abusssituationmehr vorhanden. Durch die Verwirbelungen gibt es sehr viele Lufteinschlüsse und es kommt

50 6 Wasserspiegellagenzur Bildung von Schaumkronen. Diese Turbulenzen führen zu einem dreidimensionalen Ab-usszustand. Die zur Ermittlung der Wasserstände verwendeten Ultraschallsensoren zeigenbei vielen Lufteinschlüssen ebenfalls Schwierigkeiten bei der Messung. Konkret äuÿert sichdas bei der Ausgabe der gemessenen Wasserstandsdaten als eine groÿe Streuung eine Vielzahlvon Ausreiÿern (vergleiche Abb. 6.17(c)). Abbildung 6.17(d) zeigt exemplarisch füreinen Durchuss von Q = 80 l/s , dass sich die Wasseroberäche im unteren Teil der Rampeberuhigt. Die Welligkeit nimmt in diesem Bereich ab. Das deutet das Erreichen desAbussregimes der Gerinneströmung an. Das gleiche Phänomen ist auch für Abüsse vonQ = 50 l/s bis Q = 100 l/s zu beobachten.(a) Zulaufbereich bei Q = 60 l/s(b)Wasserober-äche bei Q = 80 l/sTime h [mm]300250200150100S1S2S35000 2 4 6 8 10Water depth t [s](c) Beispielhafte Darstellung der Messergebnisse(d) Beruhigung der Wasseroberäche im unterenTeil der Rampe bei Q = 80 l/sAbbildung 6.17: Abussphänomene bei S = 1:10Betrachtet man beispielhaft den Scheitel des Aufstaus bei einem Durchuss von Q = 60 l/sund einem Durchuss von Q = 80 l/s, fällt auf, dass sich die Scheitelhöhe nahezu gleichist. Sie liegt auf die Gerinnesohle bezogen bei beiden Durchüssen bei etwa 28 cm. Es istzu beobachten, dass bei einem Durchuss von Q = 80 l/s der Stauscheitel weiter im Unterwasserliegt als bei Q = 60 l/s. Abbildung 6.18(b) zeigt den Aufstau für einen Durchuss

6.4 Weitere Einussparameter 51von Q = 80 l/s. Der Stauscheitel liegt im ersten Drittel des ersten Beckens. Vergleicht mandie übrigen gemessenen Wasserstandsdaten ist erkennbar, dass der Stauscheitel allgemeinmit zunehmendem Durchuss weiter in das Unterwasser wandert(a) Draufsicht des Aufstaus vor dem ersten Riegelbei Q = 50 l/s(b) Stauscheitel bei Q = 80 l/sAbbildung 6.18: Aufstau und Stauscheitel bei S = 1:10Aufgrund der oben beschriebenen Phänomene wird die in 4.2.3 beschriebene gelochte Stauscheibeim Oberwasser vor der Rampenkrone eingebaut. Abbildung 6.19 zeigt die beschriebeneScheibe im eingebauten Zustand.Abbildung 6.19: Stauscheibe im eingebauten ZustandDer Einuss der Stauscheibe auf die Zuusssituation bei Abüssen Q > 50 l/s wird beimVergleich der Abbildungen 6.20 (a) und 6.20 (b) sichtbar. Abbildung 6.20 (a) zeigt dieZuussituation der Rampenkrone bei einem Abuss von Q = 80 l/s ohne eingebaute Stauscheibeund Abbildung 6.20 (b) selbige mit eingebauter Stauscheibe. Auf Abbildung 6.20(b) ist die Reduktion des Aufstaus im Kronenbereich der Rampe deutlich zu erkennen.

52 6 WasserspiegellagenAuch die Höhe des Stauscheitels liegt sichtbar niedriger. Es ist weiterhin zu erkennen, dassauch der Zustand der Gerinneströmung früher erreicht wird. Die Auswertung der Messdatenzeigt, dass der Einuss der Stauscheibe auf die Wasserspiegellage bei Durchüssenzwischen Q = 5 l/s und Q = 20 l/s im Bereich von wenigen Milimetern liegt und damitvernachlässigbar klein ist.(a) Q=80 l/s, S= 1:10, ohne Stauscheibe(b) Q=80 l/s, S= 1:10, mit StauscheibeAbbildung 6.20: Einuss der Stauscheibe auf die ZuusssituationEin Einuss wird erst ab einem Durchuss von Q = von 30 l/s deutlich. Abbildung 6.21zeigt die gemessenen Wasserstände bei einem Q = 30 l/s mit und ohne Platte in einemDiagramm. Das untere Diagramm zeigt die Abweichung der beiden Wasserstandslinien voneinander.Einuss der Platte reicht bis zum dritten Riegel. Der Aufstau und die Intensitätder Anströmung des ersten Riegels wird durch die Stauscheibe gemindert. Allgemein wirddurch den Einbau der Stauscheibe eine Beruhigung der Zuusssituation erreicht. Speziellfür einen Durchuss von Q = 30 l/s kann eine Abweichung der beiden Wasserstandslinienvon bis zu drei Zentimetern abgelesen werden. Durch die Platte entsteht hier ein gleichmäÿigerergewellter Abuss. Ab dem dritten Riegel sind die betrachteten Wasserstandslinienwieder nahezu deckungsgleich. Die Scheibe hat hier keinen Einuss mehr auf den Abuss.

6.4 Weitere Einussparameter 53h [mm]300250200150100500inflow-plate comparison, CB1, B1, S = 1:10, Q = 30 l/scross-bars plate no plate150 120 90 60 30 6x [cm]dev [mm]40200-20-40plate-noplate150 120 90 60 30 6x [cm]Abbildung 6.21: Einuss der Stauscheibe bei Q = 30 l/s auf die MessergebnisseDer gleiche Eekt ist auch für einen Durchuss von Q = 40 l/s zu beobachten (vergleicheAbbildung 6.22). Das vorherrschende Abussregime kann immer noch dem des gewelltenAbusses zugeordnet werden. Die Lage der einzelnen Wellenscheitel verschiebt sich durchden Einbau der Platte in Richtung Oberwasser. Dieser Eekt ist für die immer positiv undnegativ schwankende Abweichung verantwortlich.h [mm]300250200150100500inflow-plate comparison, CB1, B1, S = 1:10, Q = 40 l/scross-bars plate no plate150 120 90 60 30 6x [cm]dev [mm]40200-20-40plate-noplate150 120 90 60 30 6x [cm]Abbildung 6.22: Einuss der Stauscheibe bei Q = 40 l/s auf die Messergebnisse

54 6 WasserspiegellagenWie auf den Abbildungen 6.23 zu sehen ist, ist der Einuss der Stauscheibe hier nochgröÿer. Sie verhindert den ungebremsten Anprall des zuieÿenden Wassers auf den erstenRiegel und damit auch die Ausprägung eines Stauwulst mit Wechselsprung über dem erstenBecken. Dies hat eine geglättete Wasseroberäche zur Folge und somit auch gemesseneWassespiegellagen die sich eindeutiger en einzelnen Strömungsregimen zuordnen lassen.Die folgenden Messergebnisse beziehen sich für die Neigung S = 1:10 auf die unter derVerwendung der Stauscheibe ermittelten Messwerte.WSL [mm]400350300250200150100500inflow-plate comparison, CB1, B1, S = 1:10, Q = 50 l/scross-bars plate no plate150 120 90 60 30 6x [cm]WSL [mm]400350300250200150100500inflow-plate comparison, CB1, B1, S = 1:10, Q = 60 l/scross-bars plate no plate150 120 90 60 30 6x [cm](a)(b)WSL [mm]400350300250200150100500inflow-plate comparison, CB1, B1, S = 1:10, Q = 80 l/scross-bars plate no plate150 120 90 60 30 6x [cm]WSL [mm]400350300250200150100500inflow-plate comparison, CB1, B1, S = 1:10, Q = 100 l/scross-bars plate no plate150 120 90 60 30 6x [cm](c)(d)Abbildung 6.23: Einuss der Stauscheibe zur Beruhigung der Zuusssituation6.4.2 RiegelformZur Untersuchung des Einusses der Riegelform auf das Abussverhalten werden Versuchefür alle betrachteten Neigungen und Durchüsse mit naturnah geformten Riegeln gefahren.Diese werden im Folgenden als CB2 bezeichnet. Bei den Versuchen wird keine Sohlrauheitverwendet. Der Riegelabstand wird ebenfalls nicht verändert. Zur Untermauerungder aus den Versuchsläufen gewonnenen Ergebnissen werden exemplarisch die DurchüsseQ = 5 l/s, Q = 30 l/s und Q = 80 l/s bei einer Neigung von S = 1:30 betrachtet. Diebehandelten Durchüsse repräsentieren je ein Abussregime. Die grasche Darstellung derErgebnisse erfolgt für jeden Abuss wie folgt. Eine Abbildung enthält zwei Diagramme.

6.4 Weitere Einussparameter 55Das obere Diagramm zeigt die Wasserspiegellagen für einen bestimmten Durchuss mitnaturnaher und rechteckiger Riegleform. Das untere Diagramm stellt die Dierenz beiderWasserstandslinien grasch dar. Abbildung 6.24(a) zeigt die Messergebnisse für einenDurchuss von Q = 5 l/s. Die Wasserstandslinie der naturnahen Riegel liegt zwischen einemund vier Millimeter unterhalb der der Riegel mit Rechteckquerschnitt. Dieser Eektkann durch die Minderung des Flieÿwiderstands durch das Abrunden der Riegelkanten erklärtwerden. Darüberhinaus verliert der Riegel durch das Bearbeiten der Oberäche zurSimulation einer naturnahen Form einen Teil seiner Höhe. Folglich sinkt dadurch auch dergemessene Wasserstand. Die Abweichung der Wasserspiegellagen voneinander liegt in einemToleranzbereich von unter vier Prozent. Die aus den oben beschriebenen Gründen entstehendeDierenz der Wasserspiegellagen ist vernachlässigbar klein. Auch im Regime desgewellten Abusses kommt es zu keinen gravierenden Dierenzen der Wasserspiegellagenvon naturnahen und Rechteckriegeln. Abbildung 6.24(b) zeigt die beiden Wasserstandslinienfür einen Durchuss von Q = 30 l/s bei einer Neigung von S = 1:30. Auällig ist, dassdie Wellenscheitel ab dem zweiten Becken etwa drei Zentimeter in Richtung Rampenkronewandert. Das erzeugt die ins Positive und Negative schwankende Abweichung. Bei einemDurchuss von Q = 80 l/s sind die Wasserspiegellagen wieder nahezu Deckungsgleich (sieheAbbildung 6.24(c)). Im unteren Bereich liegt der Wasserstand der naturnahen Riegel etwasunterhalb dem der Rechteckriegel. Auch hier bewegt sich die Dierenz in einem Bereich,der kleiner als vier Prozent ist. Damit kann dieser vernachlässigt werden. Allgemein kannder aus der Riegeform resultierende Einuss auf die Wasserspiegellage als vernachlässigbarklein angenommen werden.

56 6 Wasserspiegellagenh [mm]300250200150100500crossbar comparison (CB1 and CB2), B1, S = 1:30, Q = 5 l/scross-bars CB1 rectangular CB2 nature-like150 120 90 60 30 6x [cm]h [mm]300250200150100500crossbar comparison (CB1 and CB2), B1, S = 1:30, Q = 30 l/scross-bars CB1 rectangular CB2 nature-like150 120 90 60 30 6x [cm]dev [mm]12840-4-8-12CB1-CB2150 120 90 60 30 6x [cm]dev [mm]12840-4-8-12CB1-CB2150 120 90 60 30 6x [cm](a) Q = 5 l/s(b) Q = 30 l/sh [mm]300250200150100500crossbar comparison (CB1 and CB2), B1, S = 1:30, Q = 80 l/scross-bars CB1 rectangular CB2 nature-like150 120 90 60 30 6x [cm]dev [mm]12840-4-8-12CB1-CB2150 120 90 60 30 6x [cm](c) Q = 80 l/sAbbildung 6.24: Einuss der Riegelform auf das Abussverhalten (CB1-CB2)6.4.3 RiegelabstandZur Untersuchung des Einusses des Riegelabstands auf das Abussverhalten werden Versuchefür alle betrachteten Neigungen mit allen Durchüssen gefahren. Die Riegel sinddabei rechteckig. Der Mittelpunktsabstand der Riegel beträgt das sechsfache des Riegeldurchmessers,also 36 cm. Abbildung 6.25 zeigt die Wasserspiegellagen bei einem Durch-uss von Q = 5 l/s bei einer Neigung von S = 1:30 für beide Riegelabstände. Es ist keinUnterschied im Abussverhalten erkennbar. Es liegt für beide Riegelabstände eine Bekenströmungvor.

6.4 Weitere Einussparameter 57h [mm]300250200150100500CB1, B1, S = 1:30, Q = 5 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceh [mm]300250200150100500CB3, B1, S = 1:30, Q = 5 l/scross-barswater surface(a) kleiner Riegelabstand 5b r (b) groÿer Riegelabstand 7b r210 168 126 84 42 6 0x [cm]Abbildung 6.25: Vergleich der Riegelabstände bei S = 1:30 und Q = 5 l/sBeim Übergang von der Beckenströmung zum gewellten Abuss unterscheiden sich dieWasserspiegellagen für beide Riegelabstände. Bei einem Abuss von Q = 30 l/s bildensich keine gleichmäÿigen Wellenscheitel über den Riegeln aus (siehe Abbildung 6.26). DerAbusszustand ist bei gröÿerem Riegelabstand tendenziell eher der Beckenströmung zuzuordnenwährend bei kleinem Abstand schon ein gewellter Abuss erreicht wird.h [mm]300250200150100500CB1, B1, S = 1:30, Q = 30 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceh [mm]300250200150100500CB3, B1, S = 1:30, Q = 30 l/scross-barswater surface(a) kleiner Riegelabstand 5b r (b) groÿer Riegelabstand 7b r210 168 126 84 42 6 0x [cm](c) kleiner Riegelabstand 5b r(d) groÿer Riegelabstand 7b rAbbildung 6.26: Vergleich der Riegelabstände bei S = 1:30 und Q = 30 l/sAuch bei groÿen Durchüssen wird der Zustand der Gerinneströmung später erreicht. Abbildung6.27 verdeutlicht, dass bei einem Durchuss von Q = 80 l/s mit kleinem Riegelabstandschon eine relativ glatte Wasseroberäche vorhanden ist. Hingegen liegt beim groÿenRiegelabstand noch ein gewellter Abuss vor.

58 6 Wasserspiegellagenh [mm]300250200150100500CB1, B1, S = 1:30, Q = 80 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceh [mm]300250200150100500CB3, B1, S = 1:30, Q = 80 l/scross-barswater surface(a) kleiner Riegelabstand 5b r (b) groÿer Riegelabstand 7b r210 168 126 84 42 6 0x [cm](c) kleiner Riegelabstand 5b r(d) groÿer Riegelabstand 7b rAbbildung 6.27: Vergleich der Riegelabstände bei S = 1:30 und Q = 80 l/s6.4.4 SohlmaterialZur Untersuchung des Einusses des Sohlmaterials auf den Abuss auf der Rampe werdenexemplarisch Versuche mit zwei weiteren Sohlmaterialien in den Riegelzwischenräumen beieiner Neigung von S = 1:50 durchgeführt. Bei den als B2 und B3 bezeichneten Sohlformenhandelt es sich um die in Kapitel 4.2.2 beschriebene Noppenfolie beziehungsweiseKiesfüllung. Die Riegelform und der Riegelabstand werden nicht verändert. Analog zu dendrei Abussregimen wurden die Messungen für die Durchüsse Q = 5 l/s, Q = 50 l/sund Q = 100 l/s gefahren. In Abbildung 6.28 sieht man, die Wasserspiegellagen für dieSohlrauheiten B1 und B2 für einen Durchuss in einem Diagramm dargestellt. Das untereDiagramm zeigt die Dierenz beider Wasserstandslinien über die Rampe (B1-B2). Es fälltauf, dass die beiden Linien nahezu deckungsgleich sind. Die Abweichung liegt mit maximaldrei Millimetern im Bereich von unter vier Prozent. Die fast ausschlieÿliche Abweichungins Positive bedeutet, dass mit der Sohlrauheit ein kleinerer Wasserstand gemessen wirdals ohne. Das entspricht nicht dem erwarteten Ergebnis. Geht man davon aus, dass dasEinbauen einer Sohlrauheit zu Verlusten und damit zur Verringerung der Flieÿgeschwindigkeitführt müsste sich der durchossene Querschnitt und damit der Wasserstand erhöhen.Die gemessene Diskrepanz ist vermutlich auf Messungenauigkeiten der Ultraschallsensoren

6.4 Weitere Einussparameter 59sowie die begrenzte Genauigkeit beim Einstellen des Durchusses zurückzuführen. Aufgrundder geringen Gröÿe der Abweichung der beiden Wasserspiegellagen können diese alsgleich angenommen werden. Für die Durchüsse Q = 50 l/s und Q = 100 l/s ist keinzu berücksichtigender Unterschied der gemessenen Wasserstandsdaten mit und ohne dieSohlrauheit B2 zu vermerken. In beiden Fällen liegt die Dierenz unter vier Prozent undkann vernachlässigt werden. Die Wasserspiegellagen können wieder als gleich angenommenwerden.h [mm]300250200150100500bottom comparison (B1 and B2), CB1, S = 1:50, Q = 5 l/scross-bars no bottom roughness bottom roughness150 120 90 60 30 6x [cm]h [mm]300250200150100500bottom comparison (B1 and B2), CB1, S = 1:50, Q = 50 l/scross-bars no bottom roughness bottom roughness150 120 90 60 30 6x [cm]dev [mm]12840-4-8-12B1-B2150 120 90 60 30 6x [cm]dev [mm]12840-4-8-12B1-B2150 120 90 60 30 6x [cm](a) Q = 5 l/s(b) Q = 50 l/sh [mm]300250200150100500bottom comparison (B1 and B2), CB1, S = 1:50, Q = 100 l/scross-bars no bottom roughness bottom roughness150 120 90 60 30 6x [cm]dev [mm]12840-4-8-12B1-B2150 120 90 60 30 6x [cm](c) Q = 100 l/sAbbildung 6.28: Vergleich der Sohlrauheiten B1 und B2 bei S = 1:50Der Vergleich der Messdaten mit und ohne die Sohlrauheit B3 führt zu den gleichen Erkenntnissenwie schon zuvor bei der Rauheit B2. Hier ist lediglich bei einem Durchuss vonQ = 50 l/s eine Verschiebung des Wechselsprungs im ersten Becken zu beobachten. Dieserverschiebt sich etwa drei Zentimeter zur Rampenkrone hin (siehe Abbildung 6.29(b)). Das

60 6 Wasserspiegellagenist jedoch auf das Auüllen der Becken mit Kies zurückzuführen. Die eektive Riegelhöhewird durch das Verfüllen geringer.Allgemein lässt sich feststellen, dass die Sohlrauheit in den Becken keinen, beziehungsweisenur einen vernachlässigbar kleinen, Einuss auf das Abussprol der Rampe nimmt.h [mm]300250200150100500bottom comparison (B1 and B3), CB1, S = 1:50, Q = 5 l/scross-bars no bottom roughness bottom roughness150 120 90 60 30 6x [cm]h [mm]300250200150100500bottom comparison (B1 and B3), CB1, S = 1:50, Q = 50 l/scross-bars no bottom roughness bottom roughness150 120 90 60 30 6x [cm]dev [mm]12840-4-8-12B1-B3150 120 90 60 30 6x [cm]dev [mm]12840-4-8-12B1-B3150 120 90 60 30 6x [cm](a) Q = 5 l/s(b) Q = 50 l/sh [mm]300250200150100500bottom comparison (B1 and B3), CB1, S = 1:50, Q = 100 l/scross-bars no bottom roughness bottom roughness150 120 90 60 30 6x [cm]dev [mm]12840-4-8-12B1-B3150 120 90 60 30 6x [cm](c) Q = 100 l/sAbbildung 6.29: Vergleich der Sohlrauheiten B1 und B3 bei S = 1:50

6.4 Weitere Einussparameter 616.4.5 ZusammenfassungZusammenfassend können folgende Ergebnisse aus den Beobachtungen festgehaltenwerden:ˆ Die Neigungen S = 1:30 und S = 1:50 liefern aufgrund der geringen Abusstörungenauswertbare Ergebnisse. Bei einer Neigung von S = 1:10 herrscht eine deutlichüberkritische Zuusssituation, welche einen groÿen Einuss auf das Abussprol aufder Rampe hat. Auch durch den Einbau einer Stauscheibe im Oberwasser kann diesnur bedingt vermieden werden. Die Messergebnisse sind daher nur unter Berücksichtigungder durch die ungünstige Zuussituation entstehenden Fehler auswertbar. Fürweiterführende Nachforschungen ist zu empfehlen, die Rampenkrone direkt an denKopf der Kipprinne zu platzieren, um einen gleichförmigen Zuuss zu gewährleisten.ˆ Der Einuss der Riegelform auf den Abuss ist vernachlässigbar klein.ˆ Der Einuss des Sohlmaterials auf den Abuss ist vernachlässigbar klein.ˆ Der Einuss des Riegelabstands kann erst bei Berechnung der relativen Energieumwandlungauf der Rampe selektiert werden.

62 6 Wasserspiegellagen

7 Energieumwandlung7.1 AllgemeinesDie Umwandlung der Energie auf der Rampe wird wie in Kapitel 3.1 beschrieben mittelsder Energiehöhen im Ober- sowie Unterwasser der Rampe ermittelt. Diese werden mit derBernoulli-Gleichung berechnet (Gleichung 3.4). Für ihre Anwendung wird ein gleichförmigesGeschwindigkeitsprol über den Flieÿquerschnitt vorausgesetzt. Im Modellversuch istdies insbesondere bei der Neigung S = 1:10 durch die ungünstige Zuusssituation nichtder Fall. Das Abgreifen der Wasserstände mittig über dem ersten und letzten Riegel liefertkeine aussagekräftigen Ergebnisse. Hier müsste mit dem Ausgleichsfaktor α zur Berücksichtigungdes ungleichförmigen Geschwindigkeitsprols gearbeitet werden. Darauf wird andieser Stelle verzichtet. Alternativ werden zur Berechnung der Energiehöhen Wasserständeaus dem Ober- und Unterwasser benutzt. Diese werden jeweils durch einen Ultraschallsensorvor und hinter der Rampe gemessen. Gleichung 3.2 liefert die relative Energiedissipationnach Pagliara & Chiavaccini (2006a).Abbildung 7.1 stellt die relative Energiedissipation für die Riegeltypen CB1, CB2 und CB3für die Neigungen S = 1:10, S = 1:30 und S = 1:50 dar. Die ermittelten Werte werdengegen das Verhältnis von kritischem Wasserstand h c zur Rampenhöhe H angetragen. Damitstehen im Diagramm ausschlieÿlich dimensionslose Werte. Der kritische Wasserstand h cdeniert sich wie folgt:h c =( ) 1Q2 3gW 2(7.1)63

64 7 Energieumwandlungmit:Q = Durchussg = ErdbeschleunigungW = Breite der RampeEs ist zu erkennen, dass die Menge der umgewandelten Energie mit zunehmendem Durch-uss und damit auch mit gröÿer werdendem h c abnimmt. Dies ist mit den immer kleinerwerdenden Turbulenzen beim Erreichen der Gerinneströmung zu begründen. Ein Eektder Neigung auf die relative Energiedissipation kann in diesem speziellen Fall nicht eindeutigaus den Messergebnissen selektiert werden. Es kann aber angenommen werden, dassfür kleinere Neigungen eine leicht erhöhte Energieumwandlung zu erwarten ist. Vergleichtman die Werte von CB1 und CB3 fällt auf, dass diese trotz des unterschiedlichen Riegelabstandskeine maÿgebliche Abweichung besitzen. Der Einuss des Riegelabstands istoensichtlich für die Energieumwandlung auch zu vernachlässigen, solang die Anzahl derBecken gleich bleibt. Hauptparameter für die Berechnung der relativen Energiedissipationist hier demnach folglich der Durchuss Q.

7 Energieumwandlung 657.2 Modizierter BerechnungsansatzGleichung 3.2 wurde hauptsächlich für die Berechnung der relativen Energiedissipation vonunstrukturierten Blockrampen entwickelt. Deshalb wird die Gleichung für den betrachtetenFall von Blockrampenn in Riegelbauweise zu modiziert. Dies erfolgt durch Anpassung derder Parameter A bis F . Für die relative Energiedissipation im Modellversuch kann dieGleichung wie folgt vereinfacht werden:(∆E r = 0, 15 + 0, 85 · exp −1, 236 h cH)(7.2)mit:∆E r = relative Energiedissipation für den betrachteten Fallh c = kritischer WasserstandH = Höhe der RampeMit der entwickelten Formel kann eine neigungsunabhängige Näherung der relativen Energiefür Blockrampen in Riegelbauweise berrechnet werden. In Abbildung 7.1 ist erkennbar,dass die entwickelte Formel für die gemessenen Ergebnisse eine gute Annäherung liefert.Die gestrichelt dargestellten Kurven entsprechen den mit Gleichung 3.2 für die einzelnenNeigungen errechneten relativen Energien nach Pagliara & Chiavaccini (2006a). Fürdie Parameter A bis F werden Werte entsprechend den Empfehlungen zur Berücksichtigungder Sohlrauheit nach Pagliara & Chiavaccini (2006a), Pagliara & Chiavaccini(2006b) eingesetzt (siehe Tabelle 7.2). Dabei wurde A = 0,15 , B = -1.0 und C = -11,5gewählt. Aufgrund der Anordnug der Störsteine in Riegeln und der nicht abgerundetenStörsteinoberäche werden die Parameter E und F gemäÿ Pagliara & Chiavaccini(2006b) als 0,4 und 7,7 angenommen.Tabelle 7.1: Werte für Parameter gemäÿ Pagliara & Chiavaccini (2006a)Sohlrauheit A B Cgrobe Sohlrauheit 0,33 -1,3 -14,5mittlere Sohlrauheit 0,25 -1,2 -12,0geringe Sohlrauheit 0,15 -1,0 -11,5keine Sohlrauheit 0,02 -0,9 -25,0

66 7 EnergieumwandlungAuällig ist, dass bei Pagliara & Chiavaccini (2006a), Pagliara & Chiavaccini(2006b) die Energien tendenziell für alle Neigungen unterschätzt werden. Die eigens entwickelteFormel liefert hier bessere Ergebnisse.Abbildung 7.2 zeigt die Gegenüberstellung der errechneten und gemessenen Energiedissipation.Dadurch soll die entwickelte Formel überprüft und bewertet werden. Die aus demMessergebnissene ermittelten relativen Energiedissipationen liegen innerhalb eines Streuungsradiusvon ± 30 Prozent. Die entwickelte Gleichung ermöglicht somit die Berechnungder relative Enregiedissipation als gute Annähernung.

7 Energieumwandlung 67∆E/E 0[-]10.80.60.4S = 1:10 CB1S = 1:30 CB1S = 1:50 CB1S = 1:10 CB2S = 1:30 CB2S = 1:50 CB2S = 1:10 CB3S = 1:30 CB3S = 1:50 CB3Pagliara S = 1:10Pagliara S = 1:30Pagliara S = 1:50Gl. 7.20.200 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4h /H [-] cAbbildung 7.1: Relative Energiedissipation, Vergleich zwischen Messergebnissen, Gleichung 3.2und Gleichung 7.210.9+ 30 %0.80.7- 30 %0.6∆E cal[-]0.50.4S = 1:10 CB1S = 1:30 CB10.3S = 1:50 CB1S = 1:10 CB2S = 1:30 CB20.2S = 1:50 CB2S = 1:10 CB30.1S = 1:30 CB3S = 1:50 CB300 0.2 0.4 0.6 0.8 1∆E [-] measAbbildung 7.2: Relative Energiedissipation, Vergleich zwischen Messergebnissen und Gleichung7.2

8 Reibungsbeiwerte8.1 AllgemeinesFür die Bestimmung der Wasserstände auf der Rampe für die Gerinneströmung ist dieKenntnis der Rauhigkeitsbeiwerte notwendig. Dazu wird für den Modellversuch auf dieDarcy-Weiÿbach Formel zurückgegrien.√8 √U = grS (8.1)fmit:U = Flieÿgeschwindigkeitf = Reibungsbeiwertg = Erdbeschleunigungr = Hydraulischer RadiusS = SohlneigungZur Berechnung des hydraulischen Radius muss ein mittlerer Wasserstand h mean angenommenwerden, welcher über die Rampenlänge konstant ist. Dafür wird ein gleichförmigerAbuss vorausgesetzt. Der hydraulische Radius erechnet sich für den betrachteten Fall wiefolgt:r = A U b=h meanW2h mean + W(8.2)68

8 Reibungsbeiwerte 69mit:r = Hydraulischer RadiusA = Durchossener QuerschnittU b = Umfang des durchossenen Querschnittsh mean = mittlerer WasserstandW = Breite der RampeIm Rahmen des Modellversuchs wird die Berechnung der Reibungsbeiwerte nur für Durch-üsse gröÿer als Q = 50 l/s durchgeführt. Die Bestimmung des mittleren Wasserstandsh mean erfolgt in der Praxis über die Mittelung aller über der Rampe gemessenen Wasserstände.Für steile Neigungen wie S = 1:10 liegt die Wasserspiegellage zumeist nicht parallel zurGerinnesohle sondern fällt zum Unterwasser hin ab. Die Flieÿgeschwindigkeit ist über dieLänge der Rampe nicht konstant und wird in Flieÿrichtung beschleunigt. Bei der Ermittelungdes mittleren Wasserstands h mean wird dieser Eekt nicht beachtet. Der dadurchentstehende Fehler ist bei der Auswertung der Ergebnisse zu berücksichtigen.Über den mittleren Wasserstand h mean lässt sich mit dem bekannten Durchuss Q und derKontinuitätsgleichung die mittlere Flieÿgeschwindigkeit U mean auf der Rampe bestimmen.U mean = Q A =Qh mean · W(8.3)mit:U mean = mittlere FlieÿgeschwindigkeitQ = DurchussA = Durchossener Querschnitth mean = mittlerer WasserstandW = Breite der Rampe

70 8 ReibungsbeiwerteDurch Einsetzen der Gleichungen 8.2 und 8.3 in Gleichung 8.1 erhält man als Ansatz fürdie Berechnung der Reibungsbeiwerte die folgende Gleichung:√8f = U mean√ grS=Qh mean W √ grS(8.4)mit:f = ReibungsbeiwertU mean = mittlere Flieÿgeschwindigkeitg = Erdbeschleunigungr = Hydraulischer RadiusS = SohlneigungQ = Durchussh mean = mittlerer WasserstandW = Breite der RampeAbbildung 8.1 zeigt die mit Gleichung 8.4 berechneten Reibungsbeiwerte für die drei Neigungenund Riegeltypen in einem Diagramm. Die Werte sind gegen das Verhältnis desmittleren Wasserstands h mean zur Riegelhöhe h B angetragen. Augenscheinlich gibt es einenlinearen Zusammenhang der Reibungsbeiwerte und dem mittleren Wasserstand h mean .8.2 Modizierter BerechnungsansatzFür die Gerinneströmung wird ein linearer Ansatz entwickelt, welcher für alle Neigungeneine gute Näherung der Reibungsbeiwerte liefert.Für die Messergebnisse des Modellversuchs können die Reibungsbeiwerte mit der folgendenGleichung angenähert werden:√8f = 3, 0h meanh B− 4, 5 (8.5)

8 Reibungsbeiwerte 71mit:f = Reibungsbeiwerth mean = mittlerer Wasserstandh b = RiegelhöheDer entwickelte Ansatz wird in Abbildung 8.1 als Gerade dargestellt.Abbildung 8.2 zeigt den Vergleich zwischen gemessenen, mit Gleichung 8.5 und mit Gleichung3.6 ermittelbaren Reibungsbeiwerten. Die eigens entwickelte Formel trit die ausden Messungen ermittelten Ergebnisse und ermöglicht damit eine gute Annäherung derReibungsbeiwerte für die Gerinneströmung auf Blocksteinrampen in Riegelbauweise. ZumVergleich werden auch die mit Gleichung 3.6 ermittelten Reibungsbeiwerte dazugeplottet.Der Störsteinformparameter C wird dabei gemäÿ Pagliara & Chiavaccini (2006c) aufgrundder Störsteinanordnung in Reihen und der nicht abgerundeten Riegeloberäche, mitdem Wert -3 deniert. Der Durchmesser des Sohlmaterials D 84 für das 84 Prozent feinersind wird beispielhaft mit 2 Milimeter angenommen. Reibungsbeiwerte nach Pagliara &Chiavaccini (2006c) überschätzen die tatsächlich gemessenen Werte um bis zu 100 Prozent.Die eigens entwickelte Formel liefert für den betrachteten Fall die besseren Ergebnisse.Demnach lassen sich mit der Gleichung 8.5 auch die Wasserstände auf der Rampe für dasAbussregime der Gerinneströmung für Neigungen von S = 1:10 bis S = 1:50 berechnen.

72 8 Reibungsbeiwerte54.543.5(8/f) 1/23S = 1:10, CB1CB22.5CB3S = 1:30, CB12CB2CB3S = 1:50, CB11.5CB2CB3Gl. 8.511.5 2 2.5 3 3.5h /h [-]mean BAbbildung 8.1: Darstellung der aus den Messergebnissen berechneten Reibungsbeiwerten76(8/f) 1/2 [−] calculated54321Gl. 8.5Pagliara1 2 3 4 5 6 7(8/f) 1/2 [−] measuredAbbildung 8.2: Vergleich der gemessenen und mit Gl. 8.5 berechneten Reibungsbeiwerte

8 Reibungsbeiwerte 738.3 Empfehlung zur BerechnungMit den erzielten Ergebnissen können die nachfolgend aufgeführten Berechnungsempfehlungenfür zwei Abusszustände gegeben werden:1. Moderate Überströmung, Beckenströmung:Für eine moderate Überströmung der Riegel bis zu einem Verhältnis vonh mean /h b < ∼ 1, 2 ist die Ermittlung der Reibungsbeiwerte nicht erforderlich. Fürdas Abussregime der Beckenströmung können die Wasserstände auch ohne Kenntnisder Reibungsbeiwerte berechnet werden. Dazu wird die Überfallformel nach Polenibenutzt (Gleichung 8.6). Dabei wird für jedes Becken der Wasserstand über die Überfallhöhebestimmt.Q = 2 3 µ√ 2gBh 2 3 ue (8.6)mit:Q = DurchussB = Überfallbreiteh ue = Überfallhöheg = Erdbeschleunigungµ = Überfallbeiwert (Überfall breit, scharfkantig, waagerecht: 0,49 bis 0,51)2. Groÿer Abuss:Für Abüsse mit h mean /h b > 2,0 ist die Berechnung der mittleren Wasserständeüber die Reibungsbeiwerte möglich. Dazu kann Gleichung 8.5 für Blockrampen inRiegelbauweise verwendet werden. Die Gleichung liefert für das Abussregime derGerinneströmung die besten Ergebnisse.Es gilt zu beachten, dass zur genauen Bestimmung der Wasserspiegellagen im gewelltenAbussbereich (1, 2 < h mean /h b < 2, 0) weitere Forschungsarbeiten notwendig sind.

74 8 Reibungsbeiwerte

Teil IVSchlussbetrachtungen

9 Zusammenfassung und AusblickDie Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass sowohl die Riegelform, ob naturnah oder rechteckig,als auch das Sohlmaterial in den Becken keinen entscheidenden Einuss auf dasAbussverhalten und damit auf die Wasserspiegellage auf der Rampe haben. Auch derEinuss des Riegelabstands kann vernachlässigt werden, solang die Anzahl der Beckengleich bleibt. Der Modellversuch zeigt, dass die Hauptparameter für das Abussbild derRampe der Durchuss Q und die Neigung S sind. Dabei können drei Abusszuständein Abhängigkeit des Wasserstands h und der Riegelhöhe h b deniert werden. Die auftretendenAbussregime werden als Beckenströmung (hh b ) undGerinneströmung (h>>h b ) bezeichnet.Für den betrachteten Fall kann die relative Energiedissipation ∆E r in Abhängigkeitdes kritischen Wasserstands h c mit Gleichung 8.1 angenähert werden. Anhand der vorliegendenMessergebnisse ist keine Abhängigkeit der relativen Energiedissipation ∆E r undder Neigung S zu selektieren. Die Riebungsbeiwerte können mit Gleichung 8.5 in Abhängigkeitdes mittleren Wasserstands h mean , unabhängig von der Gerinneneigung S, ausreichendgenau angenähert werden.Für die Bestimmung der Wasserspiegellagen für das Abussregime der Beckenströmungist die Kenntnis der Reibungsbeiwerte nicht erforderlich. Die Wasserstände können mitder Poleni-Überfallformel berechnet werden. Für den gewellten Abuss kann dahingehendein Forschungsdezit identiziert werden. Für den Bereich der Gerinneströmung erfolgtdie Ermittlung von Reibungsbeiwerten zur Bestimmung der mittleren Wasserständeauf dem Bauwerk. Zukünftige Forschungsarbeiten sind u. a. für variierte Riegelhöhenund Rampenlängen notwendig, um deren Einuss auf die Wasserspiegellagen sowie dieEnergiedissipation zu untersuchen. Weiterhin sollte die Zuussituation der Rampe, insbesonderefür steile Neigungen, optimiert werden, wobei aber grundsätzlich auf Rampenmit Neigungen von S = 1:10 verzichtet werden sollte.77

78 9 Zusammenfassung und Ausblick

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80 Literaturverzeichnis[Pagliara, S.; Chiavaccini, P. (2006b)] Energy Dissipation on Reinforced BlockRamps, Journal of Irrigation and Drainage Engineering, Vol. 132, No. 3, pp. 293-297.[Pagliara, S.; Chiavaccini, P. (2006c)] Flow Resistance of Rock Chutes with ProtrudingBoulders, Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 132, No. 6, pp. 545-552.[Pagliara, S.; Das, R.; Palermo, M. (2008)] Energy Dissipation on Submerged BlockRamps, Journal of Irrigation and Drainage Engineering, Vol. 134, No. 4, pp. 527-532.[Rice et al.(1998)] Roughness of loose Rock Rip Rap on steep Slopes, Journal of HydraulicEngineering, Volume 124 (2), pp. 179-185.[Tagmani et al.], Laboratory of Hydraulics, Hydrology and Glaciology (VAW), SwissFederal Institute of Technology (ETH) Zurich, Switzerland.[Thorwarth] Hydraulisches Verhalten von Treppengerinnen mit eingetieften Stufen -Selbstinduzierte Abussinstationaritäten und Energiedissipation, Fakultät für Bauingenieurwesender Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen.

Teil VAnhang

AGrasche ErgebnisseA.1 Riegelform CB183

84 A Grasche ErgebnisseWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:10, Q = 5 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:10, Q = 10 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(a)(b)WSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:10, Q = 15 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:10, Q = 20 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(c)(d)WSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:10, Q = 30 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:10, Q = 40 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(e)(f)WSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:10, Q = 50 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:10, Q = 60 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(g)(h)WSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:10, Q = 80 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:10, Q = 100 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(i)(j)Abbildung A.1: Wasserspiegellagen bei Riegelform CB1 mit Durchüssen von 5-100 l/s bei einerNeigung von 1:10

A Grasche Ergebnisse 85WSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:30, Q = 5 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:30, Q = 10 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(a)(b)WSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:30, Q = 15 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:30, Q = 20 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(c)(d)WSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:30, Q = 30 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:30, Q = 40 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(e)(f)WSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:30, Q = 50 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:30, Q = 60 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(g)(h)WSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:30, Q = 80 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:30, Q = 100 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(i)(j)Abbildung A.2: Wasserspiegellagen bei Riegelform CB1 mit Durchüssen von 5-100 l/s bei einerNeigung von 1:30

86 A Grasche ErgebnisseWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:50, Q = 5 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:50, Q = 10 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(a)(b)WSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:50, Q = 15 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:50, Q = 20 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(c)(d)WSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:50, Q = 30 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:50, Q = 40 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(e)(f)WSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:50, Q = 50 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:50, Q = 60 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(g)(h)WSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:50, Q = 80 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B1, S = 1:50, Q = 100 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(i)(j)Abbildung A.3: Wasserspiegellagen bei Riegelform CB1 mit Durchüssen von 5-100 l/s bei einerNeigung von 1:50

A Grasche Ergebnisse 87A.2 Riegelform CB2

88 A Grasche ErgebnisseWSL [mm]400350300250200150100500CB2, B1, S = 1:10, Q = 5 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB2, B1, S = 1:10, Q = 10 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(a)(b)WSL [mm]400350300250200150100500CB2, B1, S = 1:10, Q = 15 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB2, B1, S = 1:10, Q = 20 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(c)(d)WSL [mm]400350300250200150100500CB2, B1, S = 1:10, Q = 30 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB2, B1, S = 1:10, Q = 40 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(e)(f)WSL [mm]400350300250200150100500CB2, B1, S = 1:10, Q = 50 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB2, B1, S = 1:10, Q = 60 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(g)(h)WSL [mm]400350300250200150100500CB2, B1, S = 1:10, Q = 80 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB2, B1, S = 1:10, Q = 100 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(i)(j)Abbildung A.4: Wasserspiegellagen bei Riegelform CB2 mit Durchüssen von 5-100 l/s bei einerNeigung von 1:10

A Grasche Ergebnisse 89WSL [mm]400350300250200150100500CB2, B1, S = 1:30, Q = 5 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB2, B1, S = 1:30, Q = 10 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(a)(b)WSL [mm]400350300250200150100500CB2, B1, S = 1:30, Q = 15 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB2, B1, S = 1:30, Q = 20 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(c)(d)WSL [mm]400350300250200150100500CB2, B1, S = 1:30, Q = 30 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB2, B1, S = 1:30, Q = 40 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(e)(f)WSL [mm]400350300250200150100500CB2, B1, S = 1:30, Q = 50 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB2, B1, S = 1:30, Q = 60 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(g)(h)WSL [mm]400350300250200150100500CB2, B1, S = 1:30, Q = 80 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB2, B1, S = 1:30, Q = 100 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(i)(j)Abbildung A.5: Wasserspiegellagen bei Riegelform CB2 mit Durchüssen von 5-100 l/s bei einerNeigung von 1:30

90 A Grasche ErgebnisseWSL [mm]400350300250200150100500CB2, B1, S = 1:50, Q = 5 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB2, B1, S = 1:50, Q = 10 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(a)(b)WSL [mm]400350300250200150100500CB2, B1, S = 1:50, Q = 15 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB2, B1, S = 1:50, Q = 20 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(c)(d)WSL [mm]400350300250200150100500CB2, B1, S = 1:50, Q = 30 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB2, B1, S = 1:50, Q = 40 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(e)(f)WSL [mm]400350300250200150100500CB2, B1, S = 1:50, Q = 50 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB2, B1, S = 1:50, Q = 60 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(g)(h)WSL [mm]400350300250200150100500CB2, B1, S = 1:50, Q = 80 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB2, B1, S = 1:50, Q = 100 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(i)(j)Abbildung A.6: Wasserspiegellagen bei Riegelform CB2 mit Durchüssen von 5-100 l/s bei einerNeigung von 1:50

A Grasche Ergebnisse 91A.3 Riegelform CB3

92 A Grasche ErgebnisseWSL [mm]400350300250200150100500CB3, B1, S = 1:10, Q = 5 l/scross-bars water surface210 168 126 84 42 6 0x [cm]WSL [mm]400350300250200150100500CB3, B1, S = 1:10, Q = 10 l/scross-bars water surface210 168 126 84 42 6 0x [cm](a)(b)WSL [mm]400350300250200150100500CB3, B1, S = 1:10, Q = 15 l/scross-bars water surface210 168 126 84 42 6 0x [cm]WSL [mm]400350300250200150100500CB3, B1, S = 1:10, Q = 20 l/scross-bars water surface210 168 126 84 42 6 0x [cm](c)(d)WSL [mm]400350300250200150100500CB3, B1, S = 1:10, Q = 30 l/scross-bars water surface210 168 126 84 42 6 0x [cm]WSL [mm]400350300250200150100500CB3, B1, S = 1:10, Q = 40 l/scross-bars water surface210 168 126 84 42 6 0x [cm](e)(f)WSL [mm]400350300250200150100500CB3, B1, S = 1:10, Q = 50 l/scross-bars water surface210 168 126 84 42 6 0x [cm]WSL [mm]400350300250200150100500CB3, B1, S = 1:10, Q = 60 l/scross-bars water surface210 168 126 84 42 6 0x [cm](g)(h)WSL [mm]400350300250200150100500CB3, B1, S = 1:10, Q = 80 l/scross-bars water surface210 168 126 84 42 6 0x [cm]WSL [mm]400350300250200150100500CB3, B1, S = 1:10, Q = 100 l/scross-bars water surface210 168 126 84 42 6 0x [cm](i)(j)Abbildung A.7: Wasserspiegellagen bei Riegelform CB3 mit Durchüssen von 5-100 l/s bei einerNeigung von 1:10

A Grasche Ergebnisse 93WSL [mm]400350300250200150100500CB3, B1, S = 1:30, Q = 5 l/scross-bars water surface210 168 126 84 42 6 0x [cm]WSL [mm]400350300250200150100500CB3, B1, S = 1:30, Q = 10 l/scross-bars water surface210 168 126 84 42 6 0x [cm](a)(b)WSL [mm]400350300250200150100500CB3, B1, S = 1:30, Q = 15 l/scross-bars water surface210 168 126 84 42 6 0x [cm]WSL [mm]400350300250200150100500CB3, B1, S = 1:30, Q = 20 l/scross-bars water surface210 168 126 84 42 6 0x [cm](c)(d)WSL [mm]400350300250200150100500CB3, B1, S = 1:30, Q = 30 l/scross-bars water surface210 168 126 84 42 6 0x [cm]WSL [mm]400350300250200150100500CB3, B1, S = 1:30, Q = 40 l/scross-bars water surface210 168 126 84 42 6 0x [cm](e)(f)WSL [mm]400350300250200150100500CB3, B1, S = 1:30, Q = 50 l/scross-bars water surface210 168 126 84 42 6 0x [cm]WSL [mm]400350300250200150100500CB3, B1, S = 1:30, Q = 60 l/scross-bars water surface210 168 126 84 42 6 0x [cm](g)(h)WSL [mm]400350300250200150100500CB3, B1, S = 1:30, Q = 80 l/scross-bars water surface210 168 126 84 42 6 0x [cm]WSL [mm]400350300250200150100500CB3, B1, S = 1:30, Q = 100 l/scross-bars water surface210 168 126 84 42 6 0x [cm](i)(j)Abbildung A.8: Wasserspiegellagen bei Riegelform CB3 mit Durchüssen von 5-100 l/s bei einerNeigung von 1:30

94 A Grasche ErgebnisseWSL [mm]400350300250200150100500CB3, B1, S = 1:50, Q = 5 l/scross-bars water surface210 168 126 84 42 6 0x [cm]WSL [mm]400350300250200150100500CB3, B1, S = 1:50, Q = 10 l/scross-bars water surface210 168 126 84 42 6 0x [cm](a)(b)WSL [mm]400350300250200150100500CB3, B1, S = 1:50, Q = 15 l/scross-bars water surface210 168 126 84 42 6 0x [cm]WSL [mm]400350300250200150100500CB3, B1, S = 1:50, Q = 20 l/scross-bars water surface210 168 126 84 42 6 0x [cm](c)(d)WSL [mm]400350300250200150100500CB3, B1, S = 1:50, Q = 30 l/scross-bars water surface210 168 126 84 42 6 0x [cm]WSL [mm]450400350300250200150100500CB3, B1, S = 1:50, Q = 40 l/scross-bars water surface210 168 126 84 42 6 0x [cm](e)(f)WSL [mm]450400350300250200150100500CB3, B1, S = 1:50, Q = 50 l/scross-bars water surface210 168 126 84 42 6 0x [cm]WSL [mm]450400350300250200150100500CB3, B1, S = 1:50, Q = 60 l/scross-bars water surface210 168 126 84 42 6 0x [cm](g)(h)WSL [mm]450400350300250200150100500CB3, B1, S = 1:50, Q = 80 l/scross-bars water surface210 168 126 84 42 6 0x [cm]WSL [mm]450400350300250200150100500CB3, B1, S = 1:50, Q = 100 l/scross-bars water surface210 168 126 84 42 6 0x [cm](i)(j)Abbildung A.9: Wasserspiegellagen bei Riegelform CB3 mit Durchüssen von 5-100 l/s bei einerNeigung von 1:50

A Grasche Ergebnisse 95A.4 Ausgewählte Versuchsläufe für Sohlrauheit B2 und B3WSL [mm]400350300250200150100500CB1, B2, S = 1:50, Q = 5 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B2, S = 1:50, Q = 50 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(a)(b)WSL [mm]400350300250200150100500CB1, B2, S = 1:50, Q = 100 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm](c)water surfaceAbbildung A.10: Ausgewählte Wasserspiegellagen bei Riegelform CB1 mit Durchüssen von 5-100 l/s bei einer Neigung von 1:50 für die Sohlrauheit B2WSL [mm]400350300250200150100500CB1, B3, S = 1:50, Q = 5 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surfaceWSL [mm]400350300250200150100500CB1, B3, S = 1:50, Q = 50 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm]water surface(a)(b)WSL [mm]400350300250200150100500CB1, B3, S = 1:50, Q = 100 l/scross-bars150 120 90 60 30 6 0x [cm](c)water surfaceAbbildung A.11: Ausgewählte Wasserspiegellagen bei Riegelform CB1 mit Durchüssen von 5-100 l/s bei einer Neigung von 1:50 für die Sohlrauheit B3

96 A Grasche ErgebnisseA.5 Vergleich der Wasserspiegellagen der Riegelformen CB1und CB2WSL [mm]400350300250200150100500crossbar comparison (CB1 and CB2), B1, S = 1:30, Q = 5 l/scross-bars CB1 rectangular CB2 nature-like150 120 90 60 30 6x [cm]WSL [mm]400350300250200150100500crossbar comparison (CB1 and CB2), B1, S = 1:30, Q = 10 l/scross-bars CB1 rectangular CB2 nature-like150 120 90 60 30 6x [cm](a)(b)WSL [mm]400350300250200150100500crossbar comparison (CB1 and CB2), B1, S = 1:30, Q = 15 l/scross-bars CB1 rectangular CB2 nature-like150 120 90 60 30 6x [cm]WSL [mm]400350300250200150100500crossbar comparison (CB1 and CB2), B1, S = 1:30, Q = 20 l/scross-bars CB1 rectangular CB2 nature-like150 120 90 60 30 6x [cm](c)(d)WSL [mm]400350300250200150100500crossbar comparison (CB1 and CB2), B1, S = 1:30, Q = 30 l/scross-bars CB1 rectangular CB2 nature-like150 120 90 60 30 6x [cm]WSL [mm]400350300250200150100500crossbar comparison (CB1 and CB2), B1, S = 1:30, Q = 40 l/scross-bars CB1 rectangular CB2 nature-like150 120 90 60 30 6x [cm](e)(f)

A Grasche Ergebnisse 97WSL [mm]400350300250200150100500crossbar comparison (CB1 and CB2), B1, S = 1:30, Q = 50 l/scross-bars CB1 rectangular CB2 nature-like150 120 90 60 30 6x [cm]WSL [mm]400350300250200150100500crossbar comparison (CB1 and CB2), B1, S = 1:30, Q = 60 l/scross-bars CB1 rectangular CB2 nature-like150 120 90 60 30 6x [cm](g)(h)WSL [mm]400350300250200150100500crossbar comparison (CB1 and CB2), B1, S = 1:30, Q = 80 l/scross-bars CB1 rectangular CB2 nature-like150 120 90 60 30 6x [cm]WSL [mm]400350300250200150100500crossbar comparison (CB1 and CB2), B1, S = 1:30, Q = 100 l/scross-bars CB1 rectangular CB2 nature-like150 120 90 60 30 6x [cm](i)(j)Abbildung A.12: Wasserspiegellagen bei Riegelform CB3 mit Durchüssen von 5-100 l/s beieiner Neigung von 1:50

98 A Grasche ErgebnisseA.6 ReproduzierungsläufeA.6.1 S = 1:10h [mm]300250200150100500reproduction comparison, CB2, B1, S = 1:10, Q = 5 l/scross-bars original run reproduced run150 120 90 60 30 6x [cm]h [mm]300250200150100500reproduction comparison, CB2, B1, S = 1:10, Q = 30 l/scross-bars original run reproduced run150 120 90 60 30 6x [cm]dev [mm]12840-4-8-12orig-repromean error ≈ 1 %150 120 90 60 30 6x [cm]dev [mm]12840-4-8-12orig-repromean error ≈ 1 %150 120 90 60 30 6x [cm](a) Q = 5 l/s(b) Q = 30 l/sh [mm]300250200150100500reproduction comparison, CB2, B1, S = 1:10, Q = 50 l/scross-bars original run reproduced run150 120 90 60 30 6x [cm]h [mm]300250200150100500reproduction comparison, CB2, B1, S = 1:10, Q = 100 l/scross-bars original run reproduced run150 120 90 60 30 6x [cm]dev [mm]12840-4-8-12orig-repromean error ≈ 2 %150 120 90 60 30 6x [cm]dev [mm]12840-4-8-12orig-repromean error ≈ 1 %150 120 90 60 30 6x [cm](c) Q = 50 l/s(d) Q = 100 l/sAbbildung A.13: Reproduzierungsläufe S = 1:10

A Grasche Ergebnisse 99A.6.2 S = 1:30h [mm]300250200150100500reproduction comparison, CB2, B1, S = 1:30, Q = 5 l/scross-bars original run reproduced run150 120 90 60 30 6x [cm]h [mm]300250200150100500reproduction comparison, CB2, B1, S = 1:30, Q = 30 l/scross-bars original run reproduced run150 120 90 60 30 6x [cm]dev [mm]12840-4-8-12orig-repromean error ≈ 1 %150 120 90 60 30 6x [cm]dev [mm]12840-4-8-12orig-repromean error ≈ 1 %150 120 90 60 30 6x [cm](a) Q = 5 l/s(b) Q = 30 l/sh [mm]300250200150100500reproduction comparison, CB2, B1, S = 1:30, Q = 50 l/scross-bars original run reproduced run150 120 90 60 30 6x [cm]h [mm]300250200150100500reproduction comparison, CB2, B1, S = 1:30, Q = 100 l/scross-bars original run reproduced run150 120 90 60 30 6x [cm]dev [mm]12840-4-8-12orig-repromean error ≈ 3 %150 120 90 60 30 6x [cm]dev [mm]12840-4-8-12orig-repromean error ≈ 3 %150 120 90 60 30 6x [cm](c) Q = 50 l/s(d) Q = 100 l/sAbbildung A.14: Reproduzierungsläufe S = 1:30