Einfluss der Kornverteilung des Schüttmaterials und einer Oberflächendichtung auf die Breschenentwicklung und die Abflusskurve beim Versagen eines Schüttdammes durch Überströmen

Abstract

Die vorliegende Arbeit soll dazu beitragen , das Verständnis der wirkenden Prozesse beim Damm bruch durch Überströmen zu erweitern, um zukünftig akkurate Prognosemodelle für d ie Anlaufwellenentwicklung erstellen zu können. Zu diesem Zweck wurden physikalische Modellversuche im Wasserbau labor der TU Wien durchgeführt. Diese sollen an eine vorangegangene Arbeit anknüpfen , welche sich mit dem Einfluss von Speicherfonn- und größe auf die Anlaufwelle befasste. Die Arbeit soll einen Beitrag zum Verständnis des Einflusses verschiedener Kornverteilungen sowie einer Oberflächendichtu ng auf die Breschenentwick lung bzw. die Abflusskurve leisten. Zur Analyse unterschiedlicher Randbedingungen wurden verschiedene Modellstände errichtet, mit Dammhöhen von 31 - 62 cm und Reservoirvolumina zwischen 1 und 8 m 3 Diese waren überwiegend als Symmetriemodelle konzipiert , der Dammkörper konnte wahlweise über d ie Aufstandsfläche drainiert werden. Die Reservoirfüllung erfolgte mit einer konstanten Füllzeit. Der Bruchvorgang wurde durch plötzl iches Ziehen einer initialen Bresche ausgelöst und erfolgte ohne weitere Wasserzugabe . In sechs Versuchsreihen mit insgesamt 23 dreidimensionalen Einzelversuchen wurde der Einfluss von drei verschiedenen Stützkörpermaterialien mit Korngrößen von 0,1 - 8 mm, die Auswirkung einer Oberflächendichtung , die Signifikanz der lnitialbreschentiefe , Modelleinflüsse des Symmetriemodells, der Einfluss der Speichergröße in Kombination m it unterschiedlichem Stützkörpermaterial sowie Maßstabseffekte bei einer Skalierung von 2: 1 untersucht. Zur Analyse des Bruchverhaltens der Stützkörpermaterialien wurde eine Dichtmem bran entwickelt, welche unter Gewährleistung ausreichender Dichteigenschaften eine weitgehend unbeeinträchtigte Erfassung des Erosionsverhaltens zuließ. Die Reproduzierbarkeit wurde durch dreifache Ausführung der maßgebenden Versuche bestätigt. Die Messung des Abflusses erfolgte redundant mittels Drucksensoren , über den fallenden Reservoirspiegel und der Speicherinhaltslinie. Die Breschenentwicklung wurde aus verschiedenen Perspektiven mit drei Kameras erfasst. Die Aufnahme der Form bzw. des Volumens der finalen Bresche konnte mittels einem von der TU Wien entwickelten optischen Messsystems ('Diketracker') bewerkstelligt werden. Die Versuchsergebnisse zeigten eine deutliche Signifikanz der untersuchten Parameter auf den Bruchvorgang bzw. die Abflusskurve. Sowohl bei zwei- als auch dreidimensionalen Versuchen ergaben sich höhere Erosionsraten bzw. Abflüsse bei gröberen Stützkörpermaterialien und verhältnismäßig hohen Strömungsgeschwind igkeiten bzw. Energieniveaus. Bei geringer werdender Fließgeschwind igkeit kehrte sich dieser Trend allmählich um . Mit zunehmender Reservoirgröße nahm der Einfluss des Stützkörpermaterials ab. Eine Maßstabsfamilie mit dem Größenverhältnis 2: 1 belegte eine Skalierbarkeit nach Froud'schem Gesetz. Die Versuche mit zonierten Dämmen (Oberflächendichtung) ergaben einen höheren Spitzenabfluss als Homogendämme mit identen Randbedingungen . Es ist qualitativ nicht möglich , die Versuchsergebnisse mit den klassischen Sedimenttransportformeln aus dem Flussbau nachzuvollziehen. Auf diesen Formeln basierende numerische Ansätze und Simulationen zur Modellierung der Breschenentwicklung bzw. zur Anlaufwellenprognose sind grundsätzlich zu hinterfragen . Die vorliegenden hydraulischen Randbedingungen liegen weit außerhalb des zulässigen Spektrums. Mit einem einfachen physikalischen Ansatz wurde versucht, die Versuchsergebnisse qualitativ nachzuvollziehen . Bisherige empirische Ansätze basieren auf den rückgerechneten bzw. geschätzten Werten überwiegend größerer Anlagen , für kleinere Dämme sind nur wenige Daten vorhanden. Aus den skalierten Versuchsergebnissen wurde eine eigene empirische Formel entwickelt, welche besonders zur Spitzenabflussberechnung von kleineren Speichern mit relativ geringem Reservoirvolumen , wie beispielsweise Beschneiungsspeichem, Pumpspeichern sowie Hochwasserrückhaltebecken , geeignet ist.