Wasserbau. Texte zu den Veranstaltungen: Wasserbau, Wasserwirtschaft und Hydraulik Wasserbau A

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Hanna Waldfogel
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1 Wasserbau Texte zu den Veranstaltungen: Wasserbau, Wasserwirtschaft und Hydraulik Wasserbau A Prof. Dr.-Ing. habil, Prof. h. c., U. Zanke Fachgebiet Wasserbau Petersenstraße Darmstadt

2 Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft Fachgebiet Wasserbau Prof.Dr.-Ing.habil.,Prof.h.c.,Ulrich C.E.Zanke Petersentraße Darmstadt Tel.: +49 (0) Fax.: +49 (0) Wie bemühen uns, das Skript immer fehlerfrei und auf dem aktuellen Stand zu halten. Sollten Ihnen bei der Arbeit mit dem Skript Fehler oder veraltete Angaben auffallen, teilen Sie uns dies bitte mit. Wenden Sie sich dafür an den zuständigen Mitarbeiter im Fachgebiet: Dipl.-Ing. Tobias Kubetzek L Tel.: +49 (0) Bei dem vorliegenden Skript handelt es sich um die überarbeitete Neuauflage des Skriptes Wasserbau A von Layoutumsetzung und Überarbeitung: Kubetzek, T. Das Originalskript wurde erstellt unter Mitarbeit von: Christoph, F., Hirschhäuser, T., Holfelder, T., Krebs, M., Mewis, P., Saenger, N., Seydell, I., Wawra, B., Wittig, M., Wurpts, A. Version: Winter 2010/2011. Die Datei wurde erstellt am: 20. Januar 2011

3 Das vorliegende Skript stellt einen Auszug aus den Veranstaltungen zu Wasserbau I dar. Es ist ein Leitfaden, der zur Orientierung dient, jedoch nicht als Ersatz für die Vorlesungen und Übungen. Es beinhaltet einerseits nicht sämtliche Themen und Details, die in den Lehrveranstaltungen besprochen werden. Es gibt in manchen Aspekten jedoch auch über die vorgetragenen Inhalte hinausgehende Informationen. Zum weitergehenden Studium und zur Prüfungsvorbereitung sind auch die Sprechzeiten und weiterführende Literatur zu nutzen. Zum ergänzenden Studium der hydraulischen Grundlagen werden folgende Bücher empfohlen: Zanke, U.: Hydromechanik der Gerinne und Künstengewässer, Parey/Blackwell-Verlag, Berlin 2001 Schröder, R. und Zanke, U.: Technische Hydraulik, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York 2003

5 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Schutz und Nutzung als Ingenieuraufgabe Wasserbau an der TU Darmstadt Historische Entwicklung Grundgleichungen der Hydraulik Fließfomeln Kontinuitätsgleichung Bernoulli-Gleichung Darcy-Weisbach-Gleichung Gauckler-Manning-Strickler Prandtl-Colebrook Berechnung und Simulation von Strömungen Fließfomeln Hydraulische Modelle Wasserspiegelberechnung in offenen Gerinnen Voranalyse Ermittlung von Kontrollquerschnitten Ermittlung auftretender Abflußformen Einteilung in Berechnungsabschnitte Iterative Spiegellinienberechnung Iteration Berechnung bei gegliederten Querschnitten Literaturhinweise Grundwasser Grundlagen und Begriffe Fließprozesse in porösen Medien Die Filterexperimente von Darcy Durchlässigkeitsbeiwert kf Porosität Kontinuumsbetrachtung Geschwindigkeitsbegriffe im Grundwasser Das hydraulische Potential Bewegungsgleichungen für Grundwasserströmungen Allgemeine Bewegungsgleichung Horizontal-ebene Grundwasserströmung Anfangs- und Randbedingungen Die Potentialtheorie Aufgaben in der Grundwasserhydraulik Bestimmung des hydraulischen Gradienten Konstruktion von Strömungsbildern Gebietsbilanzierung Literaturhinweise I

6 5 Flußstaustufen und Wehre Konventionelle Aufgaben Schiffahrt Wasserkraft Ausleitungen Neuere Aufgabenstellung Wehrtypen Feste Wehre Bewegliche Wehre Fischpässe Energieumwandlung Literaturhinweise Talsperren Zweck einer Talsperre Beeinflussung durch Talsperren Generelle Gestaltung einer Talsperre Hochwasserentlastungsanlage Grundablaß Entnahmebauwerk Vorsperre Kontrollgang Absperrbauwerke Literaturhinweise Wasserkraft Bedeutung der Wasserkraftnutzung Einteilung der Wasserkraftanlagen Vor- und Nachteile von Wasserkraftanlagen Hydraulische Grundlagen der Wasserkraftanlagen Leistung Wirkungsgrad Turbinen Turbinenarten Prinzipien der Energieumwandlung Kavitation Bemessung Auslegung der Turbine Standsicherheit von Wasserbauten Einführung Mögliche Versagensfälle wasserbaulicher Konstruktionen Nachweisverfahren der Standsicherheit Einwirkungen auf das Bauwerk Widerstände Lastfälle Ermittlung der Beanspruchungen infolge Wasserdruck Wasserdruckkräfte im Untergrund (Unterströmung) Potentialnetz Näherungsverfahren nach LANE II

7 8.6 Nachweise Nachweis der Gleitsicherheit (GZ 1B) Zulässige Ausmittigkeit und Kippen (GZ 1B) Nachweis der Sicherheit gegen Aufschwimmen (GZ 1A) Numerische Simulation Einsatzbereiche numerischer Modelle Schritte der Modellerstellung, Fehlerquellen und die Begriffe Verifikation, Kalibration und Validation Grundlegende Auswahl der Prozesse und der räumlichen Dimensionalität eines Problems Modellgleichungen Grundlegende numerische Methoden Finite Differenzen Finite Elemente Finite Volumen Rechennetze Instationäre Probleme und Verfahren der Zeitintegration Numerische Effekte Ablauf einer Modellierung Pre- und Postprocessing Einsatzgebiete und verbreitete Modelle Oberflächengewässer Grundwasser Mehrphasenströmung Potamologie (Flußkunde) Generelle Ausprägung der Fließgewässer Längsschnitt Grundriß Querschnitt Zur Ausbildung von Flußkurven Naturnaher Gewässerausbau Rückblick Konzepte Methoden der Ufersicherung Elemente der Ufersicherung Böschungsfuß und untere Böschung Weichholzzone Filter Beispiele Die Mümling bei Höchst (Odw.) Der Hengsbach in Sprendlingen Die Nidda in Frankfurt Der Hambach in Heppenheim Die Erf in Bayern Ausblick Allgemeine Einführung in das Küsteningenieurwesen Küsteningenieurwesen im Grundfachbereich III

8 IV 12.2 Übersicht - Aufgaben des Küsteningenieurs Hydrographische Einfluüsse Geotechnische und morphologische Aspekte Konstruktive Aspekte Wasserstände - Die Gezeiten Einführung Gezeitenentstehung Halbmonatliche Ungleichheit - Spring-Nipp-Zyklus Definitionen von Tideparametern Wind als Einflußgröße Seegang Statistische Beschreibung des Seegangs Wellentheorien Flachwassereffekte Küstennahe Strömungen Einleitung Gezeitenströmungen Dichteströmungen Driftströmungen Bauwerke im Küstenwasserbau Deiche Sturmflutsperrwerke Siele Schöpfwerke Wellenbrecher Buhnen

9 Formelzeichen Zeichen Bedeutung Einheit A Querschnittsfläche m 2 B, b Gerinnebreite m C 1. Konzentration, insbes. bei Schwebstoffen - 2. Wenn überstrichen: zeitlich gemittelt m C L lineare Konzentration - C 0 Referenzkonzentration - C turbulente Konzentrationsschwankung - D hydraulischer Durchmesser m D 1. Diffusivität, molekulare/turbulente m 2 /s 2. Dispersionskoeffizient DL Kürzel für Drucklinie E Elastizitätsziffer (Hooke) N/m 2 kritische Wassertiefe Fr Froudezahl - g Erdbeschleunigung m 2 /s h gr Grenzwassertiefe m h v Verlusthöhe m I Gefälle - I S Sohlgefälle - I E Energieliniengefälle - I W Wasserspiegelgefälle - k st Strickler Beiwert m 1/3 /s ow Oberwasser Q Abfluß m 3 /s R= A Hydraulischer Radius - U U benetzter Umfang m uw Unterwasser v Fließgeschwindigkeit m/s w Hilfsgröße z w Wassertiefe m x Gerinnelänge m z Wasserspiegelhöhendifferenz m Index F Fluß Index L Linkes Vorland Index R Rechtes Vorland V

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