Binnenverkehrswasserbau

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2 H.-W Partenscky Binnenverkehrswasserbau Sctlleuse~agen Mit 230 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1986

3 Prof. Dr.-lng. Dr.-phys. H.-W. Partenscky Universität Hannover Franzius-Institut fiir Wasserbau und Küsteningenieurwesen Nienburger Straße 4, 3000 Hannover Einband: Sparschleuse Uelzen, Elbe-Seitenkanal/BRD. Zeichnung von Dipl.-Ing. Breust, Wasser- und Schiffahrtsdirektion Mitte, Hannover ISBN ISBN (ebook) DOI / CIP-Kurztitelaufname der Deutseben Bibliothek Partenscky, Hans- W.: Binnenverkehrswasserbau: Schleusenanlagen/H.-W. Partenscky. -Berlin; Heidelberg; NewYork; Tokyo: Springer, 1986 Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe aufphotomechanischem oder ähnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Die Vergütungsansprüche des 54, Abs. 2 UrhG werden durch die Verwertungsgesellschaft Wort", München, wahrgenommen. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1986 Softcover reprint of the bardeover Ist edition 1986 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. 2168/

4 Vorwort Schleusen und Hebewerke dienen als Abstiegsbauwerke zur Uberwindung vorhandener Gefällestufen in Schiffahrtskanälen und staugeregelten Flüssen. Für den Verkehrsablauf auf einer Wasserstraße stellen sie stets einen Engpaß dar. Bei der Planung neuer Schiffahrtskanäle und dem Ausbau vorhandener Wasserstraßen kommt deshalb der richtigen Wahl und Bemessung der erforderlichen Abstiegsbauwerke eine besondere!bedeutung zu. Beim Entwurf der Schleusen und Hebewerke sind im Hinblick auf die geforderte Sicherheit des Schiffsverkehrs bestimmte Kriterien zu beachten, durch deren Einhaltung der Leistungsfähigkeit der Bauwerke im Hinblick auf ihre Tonnagekapazität gewisse Grenzen gesetzt werden. In der Fachliteratur der zwanziger Jahre wurden die derzeit gültigen Erkenntnisse für den Bau von Schiffahrtskanälen, Schleusen und Hebewerken in dem vom Springer-Verlag im Jahre 1921 herausgegebenen Buch von F. ENGELHARD "Kanal- und Schleusenbau" und dem im gleichen Verlag erschienenen klassischen Werk von 0. FRANZIUS "Verkehrswasserbau" dargelegt. In den folgenden Büchern von H. DEIINERT über "Schleusen und Hebewerke" (Springer-Verlag, 1954) und H. PRESS über "Binnenwasserstraßen und Binnenhäfen" (Verlag von Wilh. Ernst & Sohn, 1956) wurde der weiteren Entwicklung bis Mitte der fünfziger Jahre Rechnung getragen. Der Ausbau des europäischen Wasserstraßennetzes und zahlreicherüberseeischer Wasserstraßen, insbesondere in den USA, Kanada, der UdSSR und in der Volksrepublik China, wurde seitdem jedoch in starkemmaße weiter vorangetrieben. Dabei ergaben sich eine Reihe neuer Erkenntnisse im Hinblick auf die Planung der Schiffahrtskanäle und den Entwurf moderner Abstiegsbauwerke, die eine Neubearbeitung des Fachge-

5 VI Vorwort bietes "Verkehrswasserbau" sinnvoll und notwendig erscheinen lassen. Damit wird gleichzeitig die von Prof. 0. FRANZIUS an der Universität Hannover begründete Tradition fortgeführt. Die vorgelegte Schriftenreihe "Verkehrswasserbau" ist in die drei Bände "Schiffshebewerke", "Schleusenanlagen" und "Binnenwasserstraßen und Binnenhäfen" unterteilt. Sie soll sowohl dem planenden Ingenieur das erforderliche Rüstzeug für den Entwurf neuer Wasserstraßen an die Hand geben als auch dem Studierenden des Fachgebietes Bauingenieurwesen das Grundlagenwissen aus diesem Teilgebiet des Verkehrswasserbaus vermitteln. Besonderer Wert wurde auf die Darlegung grundsätzlicher Erkenntnisse, die Ableitung und Begründung von Bemessungskriterien sowie auf die Behandlung der hydrodynamischen Vorgänge bei den verschiedenentransport- und Schleusungsvorgängen gelegt. Der hier vorgelegte Band "Schleusenanlagen" trägt insbesondere der Entwicklung moderner Schleusen Rechnung, die in den vergangeneo dreißig Jahren geplant und gebaut wurden. Bei der großen Anzahl von in Betrieb befindlichen Schiffsschleusen an Kanälen und Wasserstraßen war es dabei nicht möglich, alle konstruktiven Details der Bauwerke und die ihrer Tore und Verschlußorgane ausführlich zu behandeln. Die anzuwendenden Planungs- und Bemessungskriterien wurden vielmehr am Beispiel einiger moderner Schleusenanlagen aufgezeigt und die verschiedenen Arten der Füll- und Entleerungssysteme auf ihre Anwendbarkeit und Leistungsfähigkeit hin untersucht. Ein besonderes Kapitel. wurde der Anlage und dem Betrieb von Sparschleusen gewidmet. Für die Ausarbeitung des Textes wurden mir von zahlreichen Dienststellen der bundesdeutschen und europäischen Wasserstraßenverwaltungen, von der Rhein-Main-Donau AG München, der Compagnie Nationale du Rhone/Lyon, der St. Lawrence Seaway Authority/Canada, der Tennessee Valley Authority/USA sowie von einigen Firmen, u.a. vonder Krupp Industrietechnik GmbH/Duisburg, Maschinenfabrik Augsburg-NürnbergAG/ Gustavsburg, Fa. Noell GmbH/Nürnberg und der Thyssen-Engineering GmbH/Dortmund, in großzügiger Weise Unterlagen, Veröffentlichungen und Bildmaterial zur Verfügung gestellt, für deren Überlassung ich meinen herzlichen Dank sagen möchte.

6 Vorwort VII Darüber hinaus bin ich zahlreichen Persönlichkeiten und Fachkollegen des In- und Auslandes, unter ihnen insbesondere Herrn Dipl. - Ing. H.P. Seidel, Vorstandsmitglied der Rhein-Main-Donau AG München, Herrn Dr.-Ing. V. Barthel vom National Research Council in Ottawa/Canada sowie Herrn Prof. M. Hager vom Bundesverkehrsministerium/Bonn und Herrn Prof. S. Spierig/Universität Hannover, für ihre Anregungen und fachlichen Diskussionen zu Dank verpflichtet. Die Zeichenarbeiten wurden von Frau Ingrid Hecht mit großer Sorgfalt ausgeführt. Vom Franzius-Institut der Universität Hannover übernahm Frau Dipl.-Ing. Manuela Osterthun die Durchsicht des Textes, der von Frau Gerlinde Greven mit Fleiß und großer Umsicht in die Reinschrift übertragen wurde. Ihnen allen möchte ich für ihre Mitarbeit auf diesem Wege meinen herzlichen Dank sagen. Die hier vorliegende Ausstattung wurde gewählt um den Verkaufspreis des Buches in Grenzen zu halten. Dem Springer-Verlag danke ich für die Unterstützung und Beratung bei der Erstellung des vorgelegten Bandes. Hannover, im Dezember 1985 Hans-Werner Partenscky

7 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 1. 1 Allgerneines 1.2 Historische Entwicklung 6 2. Schleusenarten und Abmessungen 2. 1 Grundrißformen Kammerschleusen Schachtschleusen Zwillingsschleusen Kuppelschleusen Schleusentreppen Kesselschleusen und Kopfschleusen Sparschleusen Dockschleusen Seeschleusen Kammerabmessungen Klassifizierung der europäischen Binnenwasserstraßen und Abmessungen der Transporteinheiten Länge und Breite der Kanalschleusen Konstruktive Ausbildung der Kammerquerschnitte 2.4 Ausbildung der Schleusenhäupter Ausbildungsformen für das Oberhaupt Oberhaupt mit Hubsenktor Oberhaupt mit Senktor Oberhaupt mit Haken- oder Drehtor Oberhaupt mit Klapptor Oberhaupt mit Drehsegmenttor Oberhaupt mit tiefliegendem Drempel

8 X Inhaltsverzeichnis Oberhaupt mit Torumläufen Oberhaupt für andere Arten von Füllsystemen Ausbilgungsforrnen für das Unterhaupt Blockunterteilung der Schleusenkammer Lastannahmen für die Bemessung der Schleusenkammer und der Häupter Ausrüstungen der Kammerwände Steigleitern Nischenpoller Kantenpoller Schwimmpoller Bremspoller Kantenschutz Scheuerleisten Geländer Stoßschutzeinrichtungen Allgerneines Arten der Stoßschutzeinrichtungen Elastisch gelagerte Konstruktionen arn Tor Feste und elastisch gelagerte Konstruktionen vor dem Tor Seilfanganlagen Seilfanganlagen mit beidseitiger Anordnung von Bremszylindern Seilfanganlagen mit einseitiger Anordnung eines Bremszylinders Fangnetz-Anlagen Druckbegrenzungs- und Drosselsysteme Stoßschutzschwingen Ausbildung der Vorhäfen Einfahrtbereiche Liegeplätze Ubergang zur Kanalstrecke Länge, Breite und Tiefe der Vorhäfen Verhältnisse bei Flußschleusen Füll- und Entleerungssysteme Füllung durch das Obertor Füllung über Torumläufe 103

9 Inhaltsverzeichnis XI Füllung über Längskanäle mit Stichkanälen Füllung über Grundläufe mit Stichkanälen Füllung über Zubringerkanäle und Füllbatterien Die Rhone-Schleuse Donzere-Mondragon/ Frankreich Die Bay Springs Schleuse/USA Die Ice Harbour und Lower Granite Schleuse/USA Die Sobradinho Schleuse/Brasilien Die Schleusen der Staustufe Geshouba/ VR China Weitere Schleusen großer Hubhöhen mit modernen Füllsystemen Entleerungssysteme Entleerung durch das Untertor Entleerung über Torumläufe Entleerung über Längskanäle, Grundläufe oder Entleerungskanäle Schleusentore Stemmtore Sektortore Hubsenktore Einteilige Hubsenktore Zweiteilige Hubsenktore Senktore Klapptore und Drehtore Hakentore Drehsegmenttore Hubtore Hubdrehtore Schiebetore Segmenttore 2.12 Verschlußorgane in Zu- und Ablaufkanälen Roll- und Rollkeilschütze Gleitschütze Segmentschütze Zylinderschütze Drosselklappen

10 XII Inhaltsverzeichnis 2.13 Notverschlüsse Trossenkräfte 3.1 Trossenausrüstung der Schiffe Festlegen der Schiffe während des Schleusungsvorganges Berechnung der Trossenkräfte Kraftwirkungen auf das schleusende Schiff Trossenkräfte ohne Berücksichtigung des Trossendurchhanges Trossenkräfte bei Berücksichtigung des Trossendurchhanges Maßgebende Trossenkräfte Zulässige Wasserspiegelneigungen 3.4 Modelluntersuchungen an Schleusen Modellmaßstäbe und Ubertragungskriterien Bestimmung der Trossenkräfte am Modell Hydromechanische Vorgänge bei der Kammerfüllung 4.1 Füllung vom Oberhaupt Berechnung des Füllvorganges mit hochliegendem Drempel Berechnung der Füllphasen /109/ Maximale Zuflußwassermenge Füllzeit der Kammer Hub- und Zuflußmengenkurven Zulässige Freigabe des Füllquerschnittes Kammerfüllung mit tiefliegendem Drempel Berechnung der Füllphasen /109/ Maximale Zuflußwassermenge Füllzeit der Kammer Zulässige Freigabe des Füllquerschnittes Kammerfüllung über Längskanäle oder Grundläufe Berechnung der Füllphasen Maximaler Zufluß und Füllzeit der Kammer Zulässige Freigabe des Füllquerschnittes 222

11 Inhaltsverzeichnis XIII 4.3 Kammerfüllung über Zubringerkanäle mit Füllbatterien Hydraulisch ausgewogene Füllsysteme Berechnung des Füllvorganges Zulässige Freigabe des Füllquerschnittes Entleerung der Schleusenkammer 5.1 Allgemeines 5.2 Berechnung des Entleerungsvorganges Berechnung der Entleerungsphasen Maximale Rückgabewassermenge Entleerungszeit der Kammer Sparschleusen 6.1 Allgemeines 6.2 Füll- und Entleerungssysteme 6.3 Füll- und Entleerungsvorgänge Vollkommene Beckenausspiegelung Unvollkommene Beckenausspiegelung 6.4 Erreichbare Wasserersparnis Vollkommene Beckenausspiegelung Unvollkommene Beckenausspiegelung Bestimmung der wirtschaftlichen Anzahl von Sparbecken Allgemeines Grundlagen der Berechnung Verlustwassermengen je Schleusungsvorgang Mittlerer Wasserverbrauch Erforderliche Förderleistung der Pumpen Zu installierende Pumpenleistung Erforderliche Jahresarbeit der Pumpen Kosten für die Sparbecken- und Pumpenanlage Abschreibung und Verzinsung Betriebskosten für die Pumpenanlage Jährliche Gesamtaufwendungen Wasserwirtschaftliche Untersuchungen 261

12 XlV Inhaltsverzeichnis 6.6 Berechnung des Füllvorganges Definition der Füllphasen Füllung aus einem Sparbecken Unvollkommene Ausspiegelung Vollkommene Ausspiegelung Gesamtfüllzeit der Schleusenkammer Hub- und Zuflußmengenkurve 6.7 Berechnung des Entleerungsvorganges 6.8 Möglichkeiten der Füllzeitverkürzung Unvollkommene Beckenausspiegelung Vergrößerung der Sparbeckenfläche Erreichbare Hub- und Senkgeschwindigkeiten während des 6.10 Schleusenvorganges 280 Ausfall einzelner Sparbecken oder Schütze Füll- und Entleerungssystem nach Variante Füll- und Entleerungssystem nach Variante Füll- und Entleerungssystem nach Variante Anzahl der möglichen Störfälle A B c Ausgeführte Anlagen Sparschleuse Uelzen am Elbe-Seitenkanal/BRD Allgemeines Ausbildung der Schleuse Konstruktion der Schleusenkammer Lastannahmen Ausbildung der Schleusenhäupter Pumpenanlage Poller und Haltekreuze Ausbildung der Schleusenvorhäfen Füll- und Entleerungsvorgänge Wasserersparnis Leistungsfähigkeit der Schleuse Die Sparschleusen des Main-Donau-Kanals Trasse und Linienführung des Kanals Kanalquerschnitt und Schleusenabmessungen Wasserwirtschaft des Kanals Ausbildung der Pumpwerke und Leerschüsse Konstruktionsprinzip der Schleusen 318

13 Inhaltsverzeichnis XV Das Füll- und Entleerungssystem der Sparschleusen Ausrüstung der Schleusen Ausbildung der Vorhäfen Leistungsfähigkeit der Schleusen Die Sparschleuse Eckersmühlen am Main- Donau-Kanal Konstruktive Ausbildung der Schleuse Füll- und Entleerungsvorgänge Wasserersparnis Leistungsfähigkeit von Schiffsschleusen 7.1 Theoretische und praktische Tonnagekapazität Möglichkeiten und Grenzen für die Erhöhung der Leistungsfähigkeit einer Schleusenanlage Steuerung des Verkehrsablaufes Möglichkeiten zur Verkürzung der Schleusungszeiten Zulässige sekundliehe Freigabe der Füll- und Entleerungsquerschnitte Erreichbare mittlere Steiggeschwindigkeiten des Kammerwasserspiegels Bemessung des Füllquerschnittes Verh~ltnlsse in den Schleusenvorh~fen 8. 1 Schwall- und Sunkerscheinungen in den Vorhäfen Entnahmesunk Rückgabeschwall Trossenbelastungen von wartenden Schiffen Zulässige Zunahme der Füll- und Entleerungswassermenge Erforderlicher Vorhafenquerschnitt Begrenzung der maximalen Entnahme- und Rückgabewassermenge Querströmungen Hochwasserableitung durch Fluss-Schleusen 9.1 Allgemeines 9.2 Erreichbare Abflußleistung

14 XVI Inhaltsverzeichnis 9.3 Ausbildung der Schleusentore Steuerungs- und Sicherungsmaßnahmen bei der Hochwasserableitung Berechnungsbelspiele Entwurf einer Kanalschleuse Wahl des Füll- und Entleerungssystems Berechnung des Füll- und Entleerungsvorganges Verhältnisse in den Vorhäfen Entwurf einer Flußschleuse Wahl des Füll- und Entleerungssystems Berechnung des Füll- und Entleerungsvorganges Entwurf einer Sparschleuse Wahl des Füll- und Entleerungssystems Berechnung des Füll- und Entleerungsvorganges Verhältnisse in den Vorhäfen Ausfall einzelner Schütze oder Sparbecken Literaturverzeichnis Autorenverzeichnis Verwendete Symbole und Abkürzungen Mass-Systeme und Umrechnungsfaktoren Sachverzeichnis 4o2