TECHNISCHE UNIVERSITÄT DRESDEN

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1 TECHNISCHE UNIVERSITÄT DRESDEN Fakultät Bauingenieurwesen Institut für Wasserbau und Technische Hydromechanik Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen, Heft 33 Bornschein, Antje Die Ausbreitung von Schwallwellen auf trockener Sohle unter besonderer Berücksichtigung der Wellenfront Der Titel und der Inhalt des Heftes entsprechen der zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) an der Fakultät Bauingenieurwesen der Technischen Universität Dresden am I.Dezember 2005 eingereichten und genehmigten Dissertation von Dipl.-Ing. Antje Bornschein. Rigorosum und Verteidigung: Vorsitzender der Promotionskommission: Univ. Prof. Dr.-Ing. habil. P. Rüge Gutachter: Prof. Dr.-Ing. habil H. Martin Prof. Dr.-Ing. H.-B. Horlacher Prof. DI Dr. techn. F. Schöberl Universität Innsbruck Dresden, im Mai 2006 ULB Darmstadt

2 Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung/Abstract/Resume 1 Einführung Was sind Schwallwellen? Motivation und Ziel der Arbeit Gültigkeits- und Anwendungsbereiche 6 2 Darstellung der theoretischen Grundlagen Eigenschaften zweidimensionaler turbulenter Strömungen Fließformeln für offene Gerinne Talsperrenbruch Lösung unter der Bedingung der Reibungsfreiheit Theorie nach Pohle 1952 für die Initialphase Verbesserte Näherungslösungen unter Einbeziehung des Reibungseinflusses Flachwassergleichungen Ableitung für eine Gerinneströmung im prismatischen Kanal Anwendung des Charakteristikenverfahren für den Talsperrenbruch mit trockenem Unterwasserkanal Anwendung des Charakteristikenverfahren für den Talsperrenbruch mit Unterwasser nach Stoker Betrachtungen zur Front einer Schwallwelle Fazit Theorie 53 3 Verifikation der Theorie zur Schwallwellenausbreitung durch Modellversuche Randbedingungen der Modellversuche Wiederholbarkeit und Vergleichbarkeit von Messungen Ausfluss aus der Sperre Ausbreitung und Form der Sunkwelle Die Ausbreitung von Schwallwellen im Rechteckkanal Die Ausbreitung der Wellenfront im glatten Kanal 65 V

3 3.2.2 Einfluss des Gefälles Einfluss der Rauheit Fließgeschwindigkeit in der Welle - Geschwindigkeitsprofil Form der Wellenfront Fazit Modellversuche Schwallwellenuntersuchungen 85 4 Versuche in Kanälen mit bewegter Sohle Ansatz Übertragbarkeit und Ähnlichkeit der Strömung Fazit Modelluntersuchungen mit bewegter Sohle 95 5 Versuchsstand und Voruntersuchungen Versuchsstand Messverfahren Voruntersuchungen Bestimmung des Reibungsbeiwertes der Bandoberflächen Strömungsgeschwindigkeit an der Wasseroberfläche Geschwindigkeitsprofil im bewegten Bezugssystem Reproduzierbarkeit der erzeugten Schwallfronten Analogie zu Schwallwellen in Kanälen mit fester Sohle Untersuchte Einflussgrößen und Messwertebereich Messergebnisse und Auswertung Messwerte zur Geometrie des Schwallkopfes Bearbeitung der Messwerte Das Oberflächeprofil der Schwallwellenfront Vergleich mit Flachwassertheorie Überprüfung der Theorie anhand von Messwerten traditioneller Untersuchungen zum Talsperrenbruch und Übertragung auf die Natur Vergleich mit den Theorien zur Schwallwellenfront 140

4 6.5 Versuch der Einbindung der Schwallausbreitung auf benetzter Sohle in die aufgestellten Thesen Oberflächengeschwindigkeit Schwallkopf bei schießendem oder strömenden Normalabfluss Fazit Auswertung Numerische Berechnung von Schwallwellen Überblick Ausbreitung auf trockener Sohle Festlegung eines Rauheitsbeiwert für die Ausbreitung einer Talsperrenbruchwelle in natürlichen Gerinnen Berechnungen von Schwallwellen im Rechteckkanal Besonderheiten der numerischen Lösung der Software Mike Ergebnisse der Schwallwellenberechnungen mit der Software Mike Dynamische Welle versus diffusive Welle Fazit numerische Berechnungen Weiterer Forschungsbedarf und Ausblick Literatur Bezeichnungen Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 197 Anhang Inhalt 201 A Tabellarische Aufstellung zu Schwallwellen bei historischen Talsperrenkatastrophen und zu den verwendeten Öffnungsmechanismen und Messeinrichtungen bei Laboruntersuchungen zum Talsperrenbruch 207 B Überblick zu den Laborversuchen zum Talsperrenbruch 209 C Konstruktionszeichnungen des Versuchsstandes 213 D Angaben zu den durchgeführten Versuchen 215 E Messwerte Geschwindigkeitsverteilung 221

5 F Wellenprofile 241 G Reibungsbeiwert des Bandes nach de Chezy 251 H Messungen im Trapezgerinne 253 I Fehlerbetrachtung 255 IV