Aufgabe 1 (12 Punkte)

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1 Prof. Dr.-Ing. J. Jensen , Seite 1 Zugelassene Hilfsmittel: SCHNEIDER - Bautabellen für Ingenieure bzw. WENDEHORST - Bautechnische Zahlentafeln NAME: MATR.-NR.: Aufgabe Summe Mögliche Punktzahl Erreichte Punktzahl Bearbeitungszeit 90 Minuten (1 Punkt entspricht etwa einem Zeitansatz von 1 Minute) (Die Lösungen können in der Aufgabenstellung und auf Ergänzungsblättern erstellt werden. Auf der Aufgabenstellung und jedem Ergänzungsblatt sind Name und Matrikelnummer einzutragen.) Aufgabe 1 (12 Punkte) a) Nennen Sie Belastungsgrößen für Küstenschutzbauwerke! b) Beschreiben Sie die Entstehung von Binnenhochwasser! c) Was regelt das WHG? d) Was versteht man unter dem Eisernen Bestand einer Talsperre? e) Nennen Sie Beispiele für laminare und turbulente Strömungen! f) Was versteht man unter Wasserkraftpotential eines Flusses? g) Geben Sie Hochwasserschutzmaßnahmen (aktive und passive) an h) Skizzieren Sie eine Ufersicherung in Lebendbauweise!

2 Prof. Dr.-Ing. J. Jensen , Seite 2 Aufgabe 2 (8 Punkte) Ein Schiff mit einer Gesamtmasse von m = kn und den Abmessungen L =90,0 m, b = 14,0 m (Rechteckquerschnitt) fährt aus der Elbe (t = 4 C, Süßwasser) in die Nordsee (t = 10 C, 3,5 % Salzgehalt). g = 9.81 m/s² Um wieviel cm ändert sich die Eintauchtiefe h? Aufgabe 3 (20 Punkte) Die drei dargestellten Gerinnequerschnitte können bis zur gleichen Wassertiefe h gefüllt werden und sollen so optimiert werden, dass sie den gleichen Abfluss Q= 126 m³/s abführen. Die Querschnitte weisen jedoch z.t. unterschiedliche Rauhigkeitsbeiwerte kst,i und Sohlgefälle I E,i auf. b R =? b D =? h= 4,00 k st,r = 35 m 1/3 /s I E,R = 0,1% 1:1,5 h= 4,00 1:1,5 k st,d = 45 m 1/3 /s I E,D =? (a) Rechteckgerinne (b) sym. Dreieckgerinne h= 4,00 k st,h =? m 1/3 /s I E,H = 1 (c) Halbkreisgerinne a) Was wird mit der Manning-Strickler-Formel berechnet und was beschreibt der Strickler-Beiwert in dieser Formel? b) Berechnen Sie die Breite des Rechteckquerschnittes so, dass der Abfluss Q = 72,5 m³/s gerade noch abgeführt werden kann. c) Berechnen Sie das Sohlgefälle IE,D für den symmetrischen Dreieckquerschnitt so, dass der Abfluss Q = 126 m³/s gerade noch abgeführt werden kann. d) Aus welchem Material (kst,h) muss der Halbkreisquerschnitt hergestellt werden, damit der Abfluss Q = 126 m³/s noch abgeführt werden kann?

3 Prof. Dr.-Ing. J. Jensen , Seite 3 Aufgabe 4 (20 Punkte) In den folgenden Abbildungen ist ein Längs- und Querschnitt der Sieg dargestellt. g = 9,81 m/s²,ρ w = 1000 kg/m³ +5,50 mnn A +5,50 mnn f 1 =? f 2 =? f 2 =? f 1 =? Q = 200 m³/ v 1 = 4 m/s h 1 =? h 2 =? h 1 =? ±0,00 mnn d=? d=? Längsschnitt A b = 10 m Querschnitt A-A Beantworten Sie bitte die folgenden Fragen: a) Wie können Sie anhand des Wellenbildes auf der Wasseroberfläche erkennen, welcher der drei möglichen Fließzustände vorliegt (Strömen, Schießen und Grenzzustand - mit Skizze), wenn Sie einen Stein ins Wasser werfen. b) Berechnen Sie die Wassertiefe h 1 für den Hochwasserabfluss Q = 200 m³/s. Wieviel Freibord f 1 ist hier noch bis zur Oberkante der Ufermauer (+5,50 mnn) vorhanden, falls die Sieg hier nicht über das Ufer tritt? c) Geben Sie an, wie die Froude-Zahl definiert ist und berechnen Sie die Froude-Zahl. Welcher Fließzustand liegt hier vor (Begründung)? d) Nachdem der Orkan Kyrill über das Siegerland gefegt ist, ist ein Baum so umgefallen, dass er den kompletten Abschlussquerschitt der Sieg einengt. Welchen Durchmesser d darf der Baum maximal haben, ohne dass die Sieg bei dem aktuellen Hochwasserabfluss von Q = 200 m³/s zu einem Aufstau im Oberwasser kommt? Wie groß ist die mittlere Fließgeschwindigkeit v in diesem Fall und welcher Fließzustand liegt nun vor? e) Wie groß ist der Freibord f 2 bis zur Oberkante der Ufermauer über dem Baumstamm? Begründen Sie den Unterschied zu f 1!

4 Prof. Dr.-Ing. J. Jensen , Seite 4 Aufgabe 5 (30 Punkte) An der Donau (Ortschaft Hofkirchen) ist die Errichtung einer Stauanlage mit einer Wasserkraftanlage geplant. Der Pegel Hofkirchen liegt bei Donau-Flusskilometer 2256,9 und hat eine angeschlossene Einzugsgebietsgröße von km². Die Wasserkraftanlage soll mit 2 Kaplanturbinen (T(1), T(2)) ausgestattet werden, die je ein maximales Schluckvermögen von 200 m³/s besitzen. Der Wirkungsgrad der Turbinen ist vom Hersteller mit η T = 0,92 angegeben. Das Stauziel der Wasserkraftanlage liegt bei 6,00 m. Die hydraulischen Verluste zwischen Oberwasser und Unterwasser können pauschal mit einem Verlustbeiwert von 0,85 berücksichtigt werden. Die Wasserkraftanlage wird bei Hochwasser (Brutto-Fallhöhe < 2,50 m) abgeschaltet. Die Dauerlinien für Abfluss und Wasserstand sind dem Gewässerkundlichen Jahrbuch (DGJ) entnommen und liegen über ein 10-jähriges Mittel vor. Bearbeiten Sie folgende Aufgaben: a) Stellen Sie die Dauerlinien für Wasserstand und Abfluss in vorgegebenem Diagramm grafisch dar! b) Ermitteln Sie das Jahresarbeitsvermögen der Wasserkraftanlage! c) Skizzieren Sie in einer Draufsicht alle wesentlichen Elemente einer Wasserkraftanlage in einem natürlichen Fließgewässer und benennen Sie diese! Pegel: Hofkirchen, Gewässer: Donau Quelle: DGJ Unterschreitungstage Wasserstand (W) in [cm] Abfluss (Q) in [m³/s] [d]

5 Prof. Dr.-Ing. J. Jensen , Seite 5 zu 5a) Dauerlinien des Pegels Hofkirchen (Donau) von 1990 bis Abfluss (Q) in [m³/s] Wasserstand (W) in [cm] Unterschreitungstage [d]

6 Prof. Dr.-Ing. J. Jensen , Seite 6 zu 5b)

7 Prof. Dr.-Ing. J. Jensen , Seite 7 zu 5c) Draufsicht Wasserkraftanlage