Hydraulik der Schlitzöffnungen bei beckenartigen Fischaufstiegsanlagen

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1 DOI: / bate Ulf Helbig, Detlef Aigner, Jürgen Stamm Hydraulik der Schlitzöffnungen bei beckenartigen Fischaufstiegsanlagen AUFSATZ Die Durchgängigkeit bei Querbauwerken (z. B. Shlrampen, Shlstufen, Wehre, Staudämme) für die aquatische Fauna wird u. a. durch die G-Wasserrahmenrichtlinie zur rreichung eines guten Zustands vn Gewässern zwingend gefrdert. ine Möglichkeit zur Umsetzung bildet der insatz vn beckenartigen Fischaufstiegsanlagen in Frm vn Schlitzpassknstruktinen (z. B. klassische Bauart, Rundbeckenpass u. a.). Diese sind durch mindestens eine bis zur Beckenshle durchgehende Schlitzöffnung in der Trennwand zwischen zwei aufeinanderflgenden Becken charakterisiert. Im Beitrag werden die knstruktiven und daraus flgend die hydraulischen Charakteristika diskutiert. Der Schwerpunkt liegt dabei auf dem hydraulisch relevanten Schlitzbereich. s werden vereinfachte und smit praktisch universell einsetzbare 1d-Frmelansätze für die Bestimmung der maßgeblichen Fließgeschwindigkeiten und des Dtatinsabflusses vrgeschlagen. Die Durchströmung eines Schlitzes stellt dabei eine Kmbinatin aus Überfall und seitlichem Ausfluss aus einem Becken dar. Hydraulics f vertical slts in fish passes The passage f fish f artificial bstructins (e. g. weirs, dams) is explicitly demanded by the U-Water Framewrk Directive in rder t achieve gd bilgical cnnectivity and therefre gd cnditins fr the cncerned water bdies. The usage f fish passes with tanks and slts (e. g. classic vertical-slt-pass, meander-type fish pass) is a pssible slutin. This design variant f fish ladders is characterised by at least ne cntinuus slt in a divide wall between tw neighburing tanks. The paper ffers a discussin abut the design criteria and the essential hydraulic characteristics. Thereby the slt-pening sectr represents the centrepiece. Simplified and universally applicable appraches fr determining the significant flw velcities and discharges are prpsed. It needs t be nted that the flw in a slt can be handled as the cmbined result f verfall and lateral utlet. Keywrds Beckenpass; Schlitzpass; Rundbeckenpass; Fließgeschwindigkeit; Dtatinsabfluss; Verluste, hydraulische; Überfall; Ausfluss, seitlicher Keywrds vertical slt pass; meander-type fish pass; flw velcity; discharge; head lsses; verfall; lateral utlet 1 inleitung Der Thematik der Fischaufstiegsanlagen (FAA) wird seit Jahren ein hhes Interesse gewidmet, insbesndere vr dem Hintergrund der G-Wasserrahmenrichtlinie (G- WRRL, 000/60/G,.1.000) [1] und deren expliziten Frderung nach Passierbarkeit bzw. Durchgängigkeit für Fische. Vr allem der insatz vn beckenartigen FAA eröffnet eine Fülle vn möglichen Baufrmen, Anrdnungen und Knstruktinssystemen. Beckenartige Fischaufstiegsanlagen werden dabei als hydraulische Gerinne betrachtet, die eine Aufeinanderflge vn Becken bilden []. Dabei wird der Gesamthöhenunterschied Dh ges zwischen Oberwasser (OW) und Unterwasser (UW) mittels einer endlichen Anzahl vn Höhensprüngen (Beckenfallhöhen) Dh zwischen den einzelnen Becken stufenweise abgebaut. Die Öffnungen zwischen den einzelnen Becken, die zur Gewährleistung des Abflusses in der Anlage erfrderlich *) Crrespnding authr: Ulf.Helbig@tu-dresden.de Submitted fr review: 05 February 016 Revised: 16 March 016 Accepted fr publicatin: 18 March 016 sind, lassen sich gemäß [, 3] in die Öffnungstypen 1 bis 4 unterteilen: Öffnungstyp 1: Krnenausschnitt, über den ein Abfluss mit freiem Überfall erflgt (nicht rückgestaut), Öffnungstyp : shlennahe, als Schlupflch bezeichnete Öffnung, durch die ein vllständig rückgestauter Auslauf vrliegt, Öffnungstyp 3: vertikal bis zur Shle durchgehender Schlitz, i. d. R. rechteckig der trapezförmig (V-förmig) nach unten verjüngend, Öffnungstyp 4: Krnenausschnitt, bei dem ein Abfluss deutlich rückgestaut ist. Der Öffnungstyp 3 (durchgehender Schlitz) sll in den flgenden Ausführungen vn weiterem Interesse sein, da dieser eine Durchströmung erzeugt, der eine Kmbinatin aus Überfall und seitlichem Auslauf aus einem Gefäß darstellt. Anlagen, die den Öffnungstyp 3 besitzen, werden im Regelfall als Schlitzpass (engl.: vertical slt pass) bezeichnet, der ursprünglich in Nrdamerika entwickelt wurde (z. B. [4, 5, 6]). Die aktuellen hydraulischen Berechnungsansätze basieren auf Auswertungen vn Messwerten. igene Untersuchungen zeigen jedch, dass deren Differenzierung und Übertragung auf verschiedene Bauarten vn Schlitzpässen nur bedingt möglich sind. Der nachflgende Beitrag beschreibt die knstruktiven rnst & Shn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & C. KG, Berlin. Bautechnik 93 (016), Heft 5 95

2 U. Helbig, D. Aigner, J. Stamm: Hydraulik der Schlitzöffnungen bei beckenartigen Fischaufstiegsanlagen und hydraulischen Charakteristika klassischer und gesnderter Schlitzpassbauweisen. Darüber hinaus werden Ansätze zur vereinfachten Berechnung der Fließgeschwindigkeiten im schlitznahen Bereich swie zur Durchflussbestimmung vrgestellt. Knstruktive Charakteristik des Schlitzpasses Beim Schlitzpass kann nach jetzigem Stand in die klassische Bauweise swie in Snderbauweisen (Schlitzpass mit zwei Schlitzen, Schlitzpass mit versetzter Beckenreihung, Rundbeckenpass) unterschieden werden []. Die klassische Bauweise gilt als die am weitesten verbreitete und besitzt typischerweise einen Zu- und einen Ablaufschlitz pr Becken, wbei diese im Regelfall durchgehend einseitig angerdnet sind. mpfehlungen zur technischen Umsetzung sind in [] enthalten. Je nach knstruktiver Ausführung können zusätzlich Leitwände (einfach, hakenartig, usw.) und Umlenkblöcke eingebaut werden, um eine entsprechende Beeinflussung des sich einstellenden Strömungsmusters zu erzielen (Bild 1). Bild Schlitzpass mit zwei Schlitzen bei Beeskw, Spree Vertical slt pass with tw slts, nearby Beeskw, Spree River (Quelle: DWA-M 509, []/Krüger, LUGV Brandenburg, Ptsdam, mdifiziert) Mit der Gemetrie des Umlenkblcks swie dessen Versatz zur Beckentrennwand kann der Schlitz s angerdnet werden, dass eine gezielte Ausrichtung der Schlitzströmung in den Beckenbereich erflgt. Die Schlitzgemetrie ist dabei im Regelfall rechteckig bis zur Shle. Die erfrderlichen Beckengemetrien ergeben sich hydrau- (Quelle: DWA-M 509, []/Krüger, LUGV Brandenburg, Ptsdam, mdifiziert) Bild 1 Schlitzpass am Wehr Gnevsdrf (Havel, Brandenburg), rechtsseitige Anrdnung der Schlitze mit hakenförmigen Leitwänden und Umlenkblöcken Vertical slt pass (Weir Gnevsdrf, Havel River, Brandenburg), righthand psitin f slts with hk-type guide bands and invert walls (Quelle: DWA-M 509, []/Günther, LUGV Brandenburg, Ptsdam, mdifiziert) Bild 3 Schlitzpass mit versetzt angerdneten Becken, Spremberg, Brandenburg Vertical slt pass with staggered basins, Spremberg, Brandenburg lisch bedingt vrnehmlich aus der Schlitzgemetrie swie der Anzahl der Schlitzöffnungen. Knstruktinskriterien swie Angaben zu gemetrischen Grenzwerten und Bemessungswerten (z. B. Abstände inbauten, Beckenlängen, Beckenbreiten, Versatzmaße, Schlitzbreiten, usw.) sind DWA-Merkblatt DWA-M 509 [] unter Berücksichtigung der jeweiligen Fischreginen und Leitfischarten entnehmbar. Die Ausführung selbst erflgt häufig in Stahlbetnbauweise gemäß DIN 1045 [7], wbei u. a. ZTV-W LB 15 [8] bzw. LB 19 [9] Beachtung finden sllte. Häufig kmmt 96 Bautechnik 93 (016), Heft 5

3 ein Betntrg mit längsgeneigter Shle (mittleres Gefälle I 17 %) zum insatz, auf die ein entsprechendes Shlensubstrat aufgebracht wird. Bei der Shlenausführung ist zur Gewährleistung der shlennahen Durchgängigkeit auf Shlenversprünge zu verzichten. inbauten (Beckentrennwände, Leitwände, Umlenkblöcke) werden ft ebenfalls in Stahlbetn ausgeführt, wbei aber auch Verbauknstruktinen (Staubhlen, Stahlprfile, Bild ) bzw. Mauerwerksausführungen (Klinkerwand, Bild 3) zum insatz kmmen können. Der Schlitzpass mit zwei Schlitzen ( Schlitzreihen, Bild ) ist häufig drt vrzufinden, w aufgrund der baulichen Randbedingungen begrenzte Anlagenlängen und -breiten möglich sind. Die Beckenlängen können gegenüber der klassischen Bauweise reduziert werden, wenn die Schlitzweiten entsprechend größer ausgeführt sind. Die knstruktive Ausführung entspricht im Wesentlichen der klassischen Bauweise, auch die Schlitze besitzen im Nrmalfall eine rechteckige Frm. mpfehlungen zur knstruktiven Umsetzung und zu Bemessungsgrößen können [] entnmmen werden. Der Schlitzpass mit versetzter Beckenreihung kmmt z. B. zum insatz, wenn bei begrenzter Anlagenlänge größere Anlagenbreiten machbar sind, sdass eine seitlich versetzte Beckenanrdnung möglich wird (Bild 3). Die Beckengemetrien und Schlitzabmessungen swie die knstruktiven Bemessungskriterien entsprechen im Regelfall denen der klassischen Bauart des Schlitzpasses. Weitere Details zu Bemessungsgrößen sind dem Merkblatt DWA-M 509 [] entnehmbar. U. Helbig, D. Aigner, J. Stamm: Hydraulics f vertical slts in fish passes Der Rundbeckenpass wird wegen seiner ausgeprägten Strömungsführung auch als Mäanderfischpass (engl. meander-type fish pass) bezeichnet. r besteht aus einer Abflge runder bzw. ausgerundeter Becken, die versetzt angerdnet sind und in denen die Fließrichtung in jedem Becken wechselt, sdass sich eine mäanderförmige Durchströmung der FAA einstellt. Zudem sind die Anlagen kmpakt und platzsparend, bedingt durch die sich überschneidenden (versetzten) Becken. Derzeitig existieren 66 Anlagen, vn denen 4 als C-Typ, 15 als J-Typ und fünf als H-Typ errichtet wrden sind (Hersteller/Stand 03/016, Bild 4, Tab. 1). Vier weitere Anlagen bilden Snderknstruktinen, die als Misch- der auch als Turmknstruktin gebaut wurden (CJ-, Helix-Frm, usw.). Der Typ C ist die am häufigsten umgesetzte Bauart. Sie ist für Gefälle zwischen 17 und 30 % entwrfen wrden und sll v. a. den Bau vn Fischaufstiegsanlagen unter beengten Platzverhältnissen ermöglichen. Der Typ J ist für Gefälle zwischen 8 und 17 % geeignet. Der wesentliche Unterschied zum Typ C besteht in der Knstruktin der Becken. Die J-Frm ergibt sich aus einer Längsstreckung der C-förmigen Becken. Der Bautyp H ist für Fließgefälle zwischen 4 und 8 % ausgelegt und wird als sgenannter Halbmäander-Fischpass (namensgebend) bezeichnet. r besitzt eine sehr gestreckte Gemetrie und smit die längsten Becken. Auch beim Rundbeckenpass kmmt i. d. R. ein Betntrg mit Längsneigung zum insatz, in den dann die inbauten aus glasfaserverstärktem Kunststff (GFK-Rhrsegmente) eingesetzt werden. Die Schlitzfrm wird zum der zeitigen Stand trapezförmig verjüngend zur Shle hin (V-förmig) ausgebildet (Bild 4). Beim Typ C gibt es Unterschiede zwischen älterer und neuerer Bauart. Sie bestehen v. a. in der Anrdnung der Becken und der Ausrichtung der Schlitzöffnungen. Bei der früheren Bauart befindet sich der Schlitz selbst in einem tangentialen Übergang zwischen zwei Becken, sdass das Wasser hindurchströmen kann, hne umgelenkt zu werden (Bild 5). 3 Hydraulische Charakteristik des Schlitzpasses 3.1 Strömungsmuster Beckenartige FAA mit Schlitzöffnungen bilden zur Überwindung einer Gesamtstauhöhe Dh ges zwischen Ober- (OW) und Unterwasser (UW) eine Aneinanderreihung vn k 1 Becken bei k Öffnungen. Der hydraulische Kntakt vn Becken zu Becken erflgt über shlengleiche Schlitze, die nach ben hin geöffnet sind. Wie aus zahlreichen Bebachtungen ersichtlich, ist der sich einstellende Höhenunterschied Dh zwischen zwei Becken, gleichbleibende Schlitzgemetrien vrausgesetzt, innerhalb der Gesamtanlage für alle Schlitze nahezu knstant, Tab. 1 Knstruktinskriterien des Rundbeckenpasses der Typen C, J und H (Quelle: IWD, Hersteller) Design criteria f meander-type fish pass, types C, J, H Kriterium [SI] C-Typ J-Typ H-Typ Beckendurchmesser (d B ) [m] 1,00, Beckenlänge (l B ) [m] --- 1,50 3,50 1,50 3,50 Beckenbreite (b B ) [m] --- 1,00,00 1,00,00 Beckenhöhe (h B ) [m] 0,75 3,00 0,75 3,00 0,75 3,00 Beckenfallhöhe (D h ) [m] 0,14 0,0 0,14 0,0 0,08 0,0 Fließgefälle (I) [%] Dtatin (Q) [l/s] Bautechnik 93 (016), Heft 5 97

4 U. Helbig, D. Aigner, J. Stamm: Hydraulik der Schlitzöffnungen bei beckenartigen Fischaufstiegsanlagen Bild 4 Ausführungsvarianten des Rundbeckenpasses, links: C-Typ, mittig: J-Typ, rechts: H-Typ Design variants f meander-type fish pass, left: type C, centred: type J, right: type H (Quelle: IWD, Hersteller) Bild 5 Anströmung Schlitz am Beispiel Rundbeckenpass Typ C, links: ältere Bauart mit direkter, nrmaler Anströmung, rechts: aktuelle Bauart mit 90 -Umlenkung vr Schlitzöffnung Slt s inflw directin, example meander-type pass C, left: lder design with direct inflw directin, right: current design with 90 -deflectin in frnt f the slt außer für eine kleine Anzahl im berwassernahen (ft nur der erste, bere Schlitz, i = 1) und unterwassernahen Bereich (Verzögerung durch möglichen Rückstau aus Unterwasser, abhängig vn Unterwasserschwankungen). Die sich im Mittel an einem i-ten Schlitz einstellende Beckenfallhöhe Dh i ergibt sich zu: hges hi = = h. k Bebachtungen zeigen, dass die Wasserstände in den Becken keine vllständig hrizntalen Wasserspiegel bilden, sndern lkale Aufstaue (vr Wänden/Schlitzen) und lkale Absunke (unterhalb vn Schlitzen) aufweisen. Die Größe Dh sllte daher als Differenz zwischen den mittleren Wasserspiegellagen (z. B. in Beckenmitte) zweier Becken definiert werden, die gleichzeitig die geringsten Schwankungen aufzeigen (z. B. Stillwasserbereiche). Aufgrund des sich an einem Schlitz einstellenden hydraulischen Gradienten kmmt es zum inströmen aus dem beren in das untere Becken, wbei dieses wiederum bis zum nächsten Schlitz durchströmt wird. Hydrmechanisch lässt sich eine Schlitzdurchströmung als Kmbinati- (1) n eines freien Überfalls aus einer Seitenöffnung und eines vllständig rückgestauten Auslaufs aus einer Seitenöffnung beschreiben. Innerhalb der Anlage herrscht im Betriebsfall ein statinärer (Q = knst.) und lkal abhängig ungleichförmiger Fließzustand (v knst.) mit sich wiederhlendem Strömungsmuster. Aktuell wird nach [] in ein strömungsstabiles und ein strömungsdissipierendes Strömungsmuster unterschieden. Vereinfacht betrachtet, sind beim strömungsstabilen Muster (v. a. Schlitzpässe mit geringem inbautengrad, Rundbeckenpass) ausgeprägte Fließpfade häufig mit einer gerichteten Haupt- und diversen Nebenströmungen (z. B. Walzen) zu bebachten. Die nergiedissipatin im Becken (Beckenverluste: h V,Becken ) kann nach jetzigem Stand gemäß der Strahltherie beschrieben werden [, 10]. Bei dissipierender Beckendurchströmung (Schlitzpass mit hhem inbautengrad, z. B. durch ausgeprägte Leitwände) sind keine gerichteten Primär- und Nebenströmungen direkt erkennbar, da durch eine hhe Turbulenzwirkung eine diffuse nergiedissipatin auftritt. Die Schlitzdurchströmung selbst swie die daraus resultierenden Schlitzverluste (h V,Schlitz ) sind wiederum vn der vrhandenen Schlitzgemetrie, der Schlitzanströmung bzw. -einschnürung abhängig. 98 Bautechnik 93 (016), Heft 5

5 3. Fließgeschwindigkeiten im Schlitzbereich Gleiche Beckenfallhöhen (Dh i ) sind ein Ausdruck kngruenter Strömungsmusterverhältnisse innerhalb der FAA, sdass glbal über die FAA ein statinärer, quasi gleichförmiger Strömungszustand unterstellt werden kann, bwhl lkal Beschleunigungen/Verzögerungen aufgrund veränderlicher Fließquerschnitte (Schlitz, Becken) auftreten (Aufstaue, Absunke). Bei Untersuchungen knnten lkale Aufstaue (Dh auf ) v. a. unmittelbar vr einem Schlitz, lkale Absunke (Dh ab ) unmittelbar unterhalb eines Schlitzes bebachtet werden. Im Zulaufbereich des OW sind i. d. R. während des Betriebs keine Aufstaue bebachtet wrden. Als hydraulisch relevant kann daher der Schlitzbereich eingeschätzt werden. Mit dem nergieansatz lassen sich die mittleren Fließgeschwindigkeiten unmittelbar berhalb (v i, ) und unmittelbar unterhalb (v i,u ) einer i-ten Schlitzöffnung vereinfacht abbilden (Bild 6). Im Zulaufbereich des ersten Schlitzes (S 1 ) kmmt es zu einer Beschleunigung (h 1 = 0), wbei v Zulauf die Zulaufgeschwindigkeit im Oberwasser (z. B. Zulaufkanal, v Zulauf = Q/A, mit Q als Dtatinsabfluss und A als Fließfläche im Zulaufkanal) im Abstand vn ca. a > 3 4 Dh und h Zulauf die Wassertiefe im Zulauf darstellen (Bild 6). Unmittelbar unterhalb des ersten Schlitzes (S 1 ) lässt sich unter Berücksichtigung des Absunks (Dh ab ) die Geschwindigkeit v 1,u zu 1,u Zulauf ( 1 ab V,Schlitz,1 ) v = v + g h + h h angeben, wbei h V,schlitz,1 die hydraulische Verlusthöhe im Schlitzbereich des Schlitzes S 1 und g die Fallbeschleunigung definieren. Wie Bebachtungen zeigen, stellt sich nur unter Vraussetzung knstanter Becken- und Schlitzgemetrien swie für Dh ges = knst. ein statinärer, quasi gleichförmiger Abfluss für die Gesamtanlage ein, der sich in Frm knstanter Beckenfallhöhen swie knstanter Aufstaue und Absunke (Dh i = knst., Dh auf = knst., Dh ab = knst.) zeigt! In diesem Fall können auch die Verluste für jeden Schlitz (S i ) und jedes Becken (B i ) als knstant angenmmen werden (h V,schlitz,i = knst. = h V,schlitz, h V,Becken,i = knst. = h V,Becken ). Für jeden Schlitz mit i > 1 kann daher die mittlere Fließgeschwindigkeit v i, unmittelbar vr jedem i-ten Schlitz (S i ) nach Gl. (3): v i, = v Zulauf g h + auf g i 1 ( h hv,schlitz hv,becken ) = 0! i, A Zulauf = 0 v = v = v g h 0 mit i>1, wenn h klein, dann v = v = v, berechnet werden. Die Geschwindigkeit v i, gilt dabei als Anströmgeschwindigkeit v A vr einem i-ten Schlitz. Sind v Zulauf 0 und Dh auf sehr klein, dann wird auch v A auf auf i, A Zulauf () (3) U. Helbig, D. Aigner, J. Stamm: Hydraulics f vertical slts in fish passes zu 0 (vllständig strömungsdissipierender Fall). Für jeden Schlitz mit i > 1 ergibt sich außerdem unter Berücksichtigung der Becken- (h V,Becken ) und Schlitzverluste (h V,schlitz ) swie des Absunks (Dh ab ) die Fließgeschwindigkeit v i,u kurz unterhalb eines i-ten Schlitzes (S i ) in der Frm: v i,u v + g h Zulauf ab + g i 1 ( h h h V,Schlitz V,Becken ) = 0! = 0 + g ( h h ) v = v + g h+ h h, i,u = Zulauf wenn h und h klein, ab dann v v + g h, i,u Zulauf V,Schlitz ( ab V,Schlitz ) V,Schlitz wbei sich schnell zeigen lässt, dass Gl. () eine Lösung vn Gl. (4) ist. Die Gl. (4) stellt nun den Maximalwert der Fließgeschwindigkeiten für alle strömungsstabilen und strömungsdissipierenden Schlitzpassbauarten dar, wbei letztlich nur nch die Zulaufgeschwindigkeit im Oberwasser (v Zulauf ), die mittlere Beckenfallhöhe (Dh), der Absunk (Dh ab ) swie die hydraulischen Schlitzverluste (h V,schlitz ) eingehen. Außerdem zeigt sich, dass der Ausdruck Dh i h V,schlitz,i h V,Becken,i = 0 bzw. aufgrund der. g. Verhältnisse Dh h V,schlitz h V,Becken = 0 gelten muss. Das heißt smit auch, dass innerhalb einer Gesamtanlage der Geschwindigkeitsgewinn Dv inflge einer Beckenfallhöhe Dh für jedes i 1 durch die anstehenden hydraulischen Verluste im Becken und im Schlitz vllständig abgebaut wird, was sich letztlich wieder durch die bereits. g. knstanten Beckenfallhöhen zeigt. Die Lage der Geschwindigkeitsmaxima wird jedch unterschiedlich verrtet. Nach [] wird ein Abstand vn ca. Dh Dh unmittelbar unterhalb einer Schlitzöffnung angegeben. igene Untersuchungen an. g. Rundbeckenpässen des Typs C zeigen jedch die Maxima unmittelbar unterhalb am Schlitz bei ca cm berhalb der Shle [11]. Die hydraulischen Verluste im Schlitz und Becken sind u. a. vn der Bauart des Passes, vn der Schlitzanströmung und der -gemetrie abhängig, sdass diese separat betrachtet bzw. bestimmt werden müssen. Für eine Gesamtanlage zwischen OW und UW lässt sich die Gesamtverlusthöhe h V,ges näherungsweise zu: h k 1 h + h V,ges ( ) V,Schlitz angeben. Den. g. Ausführungen unterstellt sind nur minimale Rückstaueffekte aus dem UW, sdass für alle Schlitze eine knstante Beckenfallenhöhe angenmmen wird. (4) (5) Bautechnik 93 (016), Heft 5 99

6 U. Helbig, D. Aigner, J. Stamm: Hydraulik der Schlitzöffnungen bei beckenartigen Fischaufstiegsanlagen Bild 6 Prinzip-Schema Schlitzpass: Abmaße und Geschwindigkeiten beim i-ten Schlitz und Becken Scheme f vertical slt pass: dimensins and flw velcities in an i th slt and tank 3.3 Schlitzverluste und Dtatinsabfluss bei Schlitzpässen Nach [] wird aktuell die Abflussberechnung bei Schlitzpässen als Überfall nach einem semi-empirischen Ansatz basierend auf der Pleni-Frmel zu: 3/ Q = µ V s g h (6) mit 4,5 0,48 hu µ 0, 59 1 V = h (strömungsdissipierend) 4,5 0,6 hu µ 0, 48 1 V = h (strömungsstabil) empfhlen, wbei s die Schlitzbreite einer rechteckigen Schlitzöffnung, h die unmittelbar berwasserseitig am Schlitz anstehende Wassertiefe und h u die unmittelbar unterwasserseitig am Schlitz anstehende Wassertiefe bezgen auf die mittlere Wasserspiegellage im Becken und die Shlhöhe am Schlitz definieren (Bild 7). Der Abflussbeiwert m V beruht nach DWA-M 509 [] auf der Regressinsanalyse verschiedener Messreihen an realen FAA und wird als Funktin vn h und h u beschrieben. Darüber hinaus wird m V abhängig vm Strömungsmuster (strömungsstabil, strömungsdissipierend) swie u. a. bauartabhängig angegeben. Die Anwendung vn Gl. (6) bei eigenen Untersuchungen an. g. Rundbeckenpässen des Typs C zeigte, dass die berechneten Abflüsse die gemessenen Werte um ca. 30 % unterschätzten [11]. in universeller insatz vn Gl. (6) scheint daher nicht hinreichend gegeben. Die Durchströmung durch einen Schlitz wird durch zwei Abflussarten bestimmt, den Überfallabfluss (Q ) und den Abfluss im Rückstaubereich als Ausfluss (Q u ). Beim freien Ausfluss aus einem Schlitzpass hne Rückstau kmmt es Bild 7 Bezeichnungen am (i-1)-ten, i-ten und (i+1)-ten Schlitz Definitins f the (i-1) st, i th and (i+1) st slt zu keiner Beeinflussung aus dem Unterwasser. Der Ausfluss wird hauptsächlich durch die Gemetrie der Öffnung und den Oberwasserstand bestimmt. Die Ableitung der Abflussfrmel entspricht dem Vrgehen vn Bllrich [1], wbei die Integratinsgrenzen hier zwischen z = 0 und der Grenztiefe z = h gr = / 3 h definiert werden. Damit ergibt sich theretisch der Abfluss als Überfallfunktin hne Rückstau aus den Gln. (7) bis (10). Aus dem Bernulli-Ansatz kann die Geschwindigkeit in Spaltmitte als Funktin der senkrechten Variablen z geschrieben werden: ( ) ( ) v z = g h z. Die Integratin über z und der knstanten Spaltbreite s in den Grenzen 0 und / 3 h liefert dann: z= h Q = s g 3 h z dz z= 0 3 Q = s g h h h 3 3 ( ) 3. (7) (8) 300 Bautechnik 93 (016), Heft 5

7 U. Helbig, D. Aigner, J. Stamm: Hydraulics f vertical slts in fish passes Bild 8 Durchflussbeiwerte eines rechteckigen, scharfkantigen shlengleichen Schlitzes Discharge cefficient f a rectangular, sharp cntinuus slt Damit kann für den freien Abfluss bzw. den Teilabfluss hne Rückstau geschrieben werden: h h u Q = µ + µ s h g h. u 3 h h (13) 3 Q = µ s g h. 3 Der Überfallbeiwert entspricht hier dem auch bei [1, 13] angegebenen theretischen Wert vn: 1 µ = , = Die nergiehöhe des Beckens wird mit h v = h+ A g (9) (10) vr einem Schlitz angegeben, mit v A z. B. nach Gl. (3). Für den Anteil des rückgestauten Bereichs mit der Unterwassertiefe h u kann in Analgie zum rückgestauten Ausfluss aus Seitenöffnungen der Teilausfluss aus der zur Verfügung stehenden nergiehöhe h zum Unterwasser mit Gl. (11) berechnet werden: Q = µ s h g h. u u u (11) Setzt man nun den Gesamtabfluss Q aus diesen zwei Anteilen Q und Q u zusammen und vernachlässigt vrerst Aufstaue, Absunke und die Anströmgeschwindigkeit (h = Dh), s lässt sich der Gesamtdurchfluss durch den Schlitzpass mit Gl. (1) bestimmen: Q = Q + Qu = µ s h g h 3 + µ s h g h. u u (1) Die Gl. (1) wird durch Umfrmung unter Verwendung vn dimensinslsen Größen zur Abflussfrmel mit zwei Beiwerten zu Gl. (13): Im Rahmen vn Labruntersuchungen [14] wurden Messungen an einem Schlitzpass mit unterschiedlichen Gemetrien durchgeführt. Dabei sind die Ausflussbeiwerte hne Rückstau und mit Rückstau ermittelt wrden. Da beide Werte vr allem Strahleinschnürungen darstellen [13], aus denen die effektive durchströmte Fläche ermittelt wird, gilt genähert, dass beide Werte gleich grß sind. Diese These knnte im Mdellversuch bereits nachgewiesen werden [14], sdass m = m = m u geschrieben werden kann. Damit lässt sich mit Gl. (14) die Beziehung: 1 Q = µ h h s g h 3 (14) angeben. Werden die Messungen mit dieser Gleichung ausgewertet, ergibt sich ein Ausflussbeiwert für scharfkantige rechteckige Schlitzöffnungen im Mittel zu m = 0,645 bei einem Breitenverhältnis vn s/b = 0,17, wbei B die Beckenbreite darstellt. Der rechteckige Schlitz wurde für eine weitere Untersuchung mit kreisförmig abgerundeten Kanten mit einem Durchmesser vn 15 mm ausgeführt. Der Überfallbeiwert erhöhte sich durch die Ausrundung um über 3 % auf im Mittel m = 0,8 (ausgerundet rechteckig) [15]. 3.4 Rückstau- und Absunkeffekte aus dem Unterwasser Unterwasserschwankungen führen in einer FAA zu Rückstau- bzw. Absunkeffekten. Die mit den. g. Untersuchungen bestätigte Annahme eines knstanten Ausflussbeiwerts in der Abflussfrmel (14) erlaubt nun, eine Gegenüberstellung zweier benachbarter Becken vrzu- Bautechnik 93 (016), Heft 5 301

8 U. Helbig, D. Aigner, J. Stamm: Hydraulik der Schlitzöffnungen bei beckenartigen Fischaufstiegsanlagen Bild 9 ntwicklung der mittleren Wasserspiegellage in den Becken (Beispiel: k 1 = 30 Becken) am nde einer Fischtreppe bei Rückstau aus dem Unterwasser Frmatin f the water level in the tanks (example: k 1 = 30 tanks) at the end f a fish pass (back water level) Bild 10 ntwicklung der mittleren Wasserspiegellage in den Becken (Beispiel: k 1 = 0 Becken) am nde einer Fischtreppe bei Absenkung des Unterwassers Frmatin f the water level in the tanks (example: k 1 = 0 tanks) at the end f a fish pass (tailwater level decline) nehmen. Wegen der Kntinuität (Q i = Q i+1 ) kann das Verhältnis beider Abflüsse zu 1 gesetzt werden (s. auch Bild 7): Q Q i+ 1 i 1 µ h h s g h 3 = 1 = 1 µ h,i hi s g hi 3,i+ 1 i+ 1 i+ 1 (15) Alle knstanten Größen kürzen sich heraus. s bleibt die Gl. (16) zur Abschätzung vn Wasserspiegellagenänderungen bei Veränderung der UW-Randbedingung, z. B. durch Rückstau:. h h i+ 1 i 3 h = 3 h i hi h i+ 1 i+ 1. (16) Mithilfe der Gl. (16) kann nun nachgewiesen werden, dass sich bei einer Änderung der Randbedingungen, z. B. bei einem Aufstau der einer Absenkung des Unterwassers, die Wasserspiegellage in den letzten Becken als Stau- bzw. Senkungslinie ausbildet. Diese ntwicklung ist lgisch, da mit steigender Durchlasshöhe im Schlitz die Geschwindigkeit und damit die Wasserspiegeldifferenz zwischen den Becken abnehmen müssen und umgekehrt. 30 Bautechnik 93 (016), Heft 5

9 Die implizite Gl. (16) ist jedch nur iterativ lösbar. Neben der Iteratin an den einzelnen Beckenübergängen ist eine Iteratin der Gesamtanlage durch Überprüfung der Summe aller berechneten Wasserspiegeldifferenzen mit der realen Größe durchzuführen. Bild 9 und Bild 10 zeigen beispielhaft rgebnisse dieser Berechnungen für einen Rückstau und eine Absenkung des Unterwassers. 4 Zusammenfassung U. Helbig, D. Aigner, J. Stamm: Hydraulics f vertical slts in fish passes ine genaue Beurteilung vn beckenartigen Fischaufstiegsanlagen erfrdert swhl eine differenzierte Betrach tung der gemetrischen und hydraulischen Bedingungen in den einzelnen Becken, wie z. B. Wasserspiegellagendifferenzen, nergieverluste, Geschwindigkeitsentwicklung, Dissipatin usw., als auch die Beurteilung der Gesamtanlage. Dazu eignen sich die vrgeschlagenen Gleichungen für einen Schlitz zwischen zwei Becken. Sie ermöglichen u. a. die Anwendung knstanter, auf die Schlitzgemetrie reduzierter Durchflussbeiwerte m und erlauben damit eine vereinfachte Berechnung der hydraulischen Kenngrößen der Gesamtanlage, wie z. B. die ntwicklung der Wasserstände in den Becken, der Wasserspiegeldifferenzen und damit der maximalen Geschwindigkeiten. Literatur [1] G-Wasserrahmenrichtlinie: U Water Framewrk Directive. Directive 000/60/C f the urpean Parliament and f the Cuncil establishing a framewrk fr Cmmunity actin in the field f water plicy, 000. [] DWA-M 509: Merkblatt DWA-M 509 Fischaufstiegsanlagen und fischpassierbare Bauwerke Gestaltung, Bemessung, Qualitätssicherung. Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V., Hennef, 014. [3] Larinier, M.: Passes à bassins successifs, prébarrages et rivières artificielles. Bull. Fr. Pêche Piscic. 36/37 (199), pp [4] Bell, M. C.: Fisheries handbk f engineering requirements and bilgical criteria. Fish. ngineering Research Prgram, Crps f ngineers, Nrth Pacific Divisin, Prtland, Oregn, [5] Rajaratnam, N.; van der Vinne, G.; Katpdis, C.: Hydraulics f Vertical Slt Fishways. Jurnal f Hydraulic ngineering, ASC 11 (1986), pp [6] Clay, C.: Design f fishways and ther fish facilities. nd ditin, Bca Ratn, Flrida: CRC Press Inc., 48 p., [7] DIN 1045-: Tragwerke aus Betn, Stahlbetn und Spannbetn Teil : Betn Festlegung, igenschaften, Herstellung und Knfrmität Anwendungsregeln zu DIN N 06. [8] ZTV-W LB 15: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen Wasserbau (ZTV-W) für Wasserbauwerke aus Betn und Stahlbetn (Leistungsbereich 15). Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung Abteilung: Wasserstraßen, Schifffahrt, 01. [9] ZTV-W LB 19: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen Wasserbau (ZTV-W) für Schutz und Instandsetzung der Betnbauteile vn Wasserbauwerken (Leistungsbereich 19). Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Whnungswesen Abteilung: isenbahnen, Wasserstraßen, 004. [10] Kraatz, W.: Flüssigkeitsstrahlen. In: Technische Hydrmechanik,. vllst. überarb. Auflage, D. Aigner & D. Carstensen (Hrsg.), Berlin GmbH, Beuth Verlag Wien Zürich: 015. [11] Helbig, U.; Stamm, J.; Seidel, C.; Martin, H.: Hydraulische Messungen in Rundbeckenpässen. Dresdner Wasserbauliche Mittelungen, Heft 53, Dresden: Selbstverlag der Technischen Universität Dresden, 015. [1] Bllrich, G.: Technische Hydrmechanik 1, Grundlagen. 7. Auflage, Berlin Wien Zürich: Beuth Verlag GmbH, 013. [13] Aigner, D.; Bllrich, G.: Handbuch der Hydraulik. 1. Auflage, Berlin Wien Zürich: Beuth Verlag GmbH, 015. [14] Sanni, P. M.: Analyse der hydraulischen Parameter eines Schlitzdurchlasses. Diplmarbeit, unveröffentlicht, TU Dresden, Institut für Wasserbau und Technische Hydrmechanik, 015. [15] Aigner, D.: Der Schlitzpass Ausfluss- der Überfallströmung. Dresdner Wasserbauliche Mittelungen, Heft 57, Dresden: Selbstverlag der Technischen Universität Dresden, 016. Autren Dr.-Ing. Ulf Helbig Technische Universität Dresden Institut für Wasserbau und Technische Hydrmechanik (IWD) Gerge-Bähr-Straße Dresden Ulf.Helbig@tu-dresden.de Prf. Dr.-Ing. habil. Detlef Aigner Technische Universität Dresden Institut für Wasserbau und Technische Hydrmechanik (IWD) Gerge-Bähr-Straße Dresden Detlef.Aigner@tu-dresden.de Univ.-Prf. Dr.-Ing. Jürgen Stamm Technische Universität Dresden Institut für Wasserbau und Technische Hydrmechanik (IWD) Gerge-Bähr-Straße Dresden Juergen.Stamm@tu-dresden.de Bautechnik 93 (016), Heft 5 303