Die Entwicklung von Wellenauflaufhöhen als Grundlage zur Freibordbemessung bei Speichern mit steilen Böschungsneigungen und kürzeren Speicherlängen

Zusammenfassung

Die meisten Speicheranlagen in Österreich liegen im Gebirge, verfügen über eher kurze Speicherlängen, die im Vergleich zu Küsten- oder Flachlandregionen nicht direkt dem Windangriff ausgesetzt sind und haben zumeist steilere Böschungsneigungen mit unterschiedlichen Deckwerken.

Um gesicherte Ansätze für die zu erwartenden Wellenauflaufhöhen bei unterschiedlich ausgebildeten Dammböschungen und vertikalen Wänden zu erhalten, wurde das Institut für Wasserbau und Ingenieurhydrologie der Technischen Universität Wien mit der Durchführung von hydraulischen Modellversuchen zu diesem Thema beauftragt. Im Rahmen des Versuchsprogramms wurden verschiedene Böschungsneigungen analysiert, deren Oberflächen glatt waren oder mit Steindeckwerken bis 1300 kg (ca. 70 cm Durchmesser) versehen wurden. Das Versuchsprogramm umfasste insgesamt fünf Wellen, die theoretisch laut Merkblatt zur Freibordbemessung an Stauanlagen des Deutschen Verbandes für Wasserwirtschaft und Kulturbau (DVWK 246/1997) bei Windgeschwindigkeiten zwischen 20 m/s und 35 m/s und Streichlängen des Windes zwischen 500 m und 3000 m erzeugt werden und die sich hinsichtlich ihrer Wellenhöhe, Wellenlänge und Periode unterscheiden.

Bei der Versuchsauswertung ergaben sich die zu erwartenden Abhängigkeiten der Wellenauflaufhöhen von der Böschungsneigung und der Ausbildung der Böschungsoberfläche in Bezug auf die Rauigkeit und Durchlässigkeit. Der Vergleich der gemessenen Auflaufhöhen mit gängigen Bemessungsformeln zeigt, dass die gemessenen Auflaufhöhen, auch aufgrund hoher statistischer Sicherheitszuschläge in den Bemessungsformeln, durchwegs niedriger als die theoretisch berechneten ausfallen. Diese Grundlagen und Erkenntnisse sollen künftig bei der Freibordbemessung von Speichern in alpinen Räumen ebenso Berücksichtigung finden wie konkrete Messungen von Wellenhöhen in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit an einem Speicher.

Abstract

Most of the dams in Austria are situated in mountainous regions and have rather short reservoir lengths. The reservoirs in Austria are not exposed to direct strong winds compared to coastal or plain areas and in most cases the Austrian dams have steeper upstream slopes with varying rip-rap or sealings. In order to obtain verified values for the expected wave run-up heights at different dam slopes and vertical walls, the Institute of Hydraulic Engineering and Water Resources Management of the Vienna University of Technology was assigned to carry out hydraulic model tests to further investigate this issue. Different slope inclinations with smooth surfaces or with rip-raps up to 1300 kg (diameter of approx. 70 cm) were analysed within the scope of the research program. The program included a total of five waves which should theoretically develop at wind velocities ranging from 20 m/s to 35 m/s and fetch lengths between 500 m and 3000 m. The waves varied in wave height, wave length and time period.

The analyses of the tests showed the expected dependence between the wave run-up heights and the slope inclination as well as impact of the slope surface design concerning roughness and permeability. The comparison of the measured run-up heights with current design formulas showed that the measured run-up heights were consistently lower than the theoretically calculated heights – this was also due to high statistical safety margins in the design formulas. These basic findings of the model tests as well as real wave height measurements on existing dams in dependence to the wind velocity shall be considered in the freeboard design of reservoirs in alpine regions in the future.