Modellversuche zur lokalen Kolkbildung an einem ausgewählten Brückenpfeiler im Zuge des Projekts RHESI

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurden im Labor des Forschungsbereichs Wasserbau am Institut für Wasserbau und Ingenieurhydrologie der Technischen Universität Wien Modellversuche zur Untersuchung der Kolkentwicklung in der nahen Umgebung eines konkreten Brückenpfeilers durchgeführt. Der besagte Pfeiler 5 gehört zur Brücke von Höchst nach Lustenau, die im Projektgebiet des Hochwasserschutzprojektes RHESI liegt. Das Generationenprojekt RHESI steht für Rhein Erholung und Sicherheit. Es umfasst die letzten 26 Kilometer des Alpenrheins von der Ill-Einmündung bis zum Beginn der Vorstreckung in den Bodensee. Auf dieser Strecke soll die Abflusskapazität im Hochwasserfall von 3100 m3 /s (das entspricht dem Abfluss eines hundertjährlichen Hochwassers, HQ100) auf mindestens 4300 m3 /s (HQ300) erhöht werden. Entlang der Projektstrecke befinden sich in Summe zehn Brücken, deren Pfeilerfundamente nach Abschluss des Projekts gänzlich anderen Anströmverhältnissen standhalten müssen. Eine wirtschaftliche Dimensionierung der Maßnahmen zum Schutz der Fundamente und Tiefgründungen erfordert Kenntnis über die zukünftige maximale Endkolktiefe. Hierzu war es erforderlich, beim Aufbau der 2,5 m breiten und 30 m langen Versuchsrinne zu helfen, Vorversuche zur Ermittelung der Eigenschaften des eingebauten Sohlmaterials und der Strömung in der Modellrinne und schließlich die Versuchsreihe 1 durchzuführen. Zur Erfassung der Eigenschaften des Modellsandes wurden die Sedimentbewegungen optisch und mit Hilfe von Unterwasser-Videoaufnahmen dokumentiert und beurteilt. Die Strömungsverhältnisse wurden mittels ADV-Sonde (acoustic doppler velocimeter, Ultraschall-Doppler- Strömungsgeschwindigkeitsmesser) in Profilen quer zur Fließrichtung gemessen und ausgewertet. Ziel der Versuche war die Untersuchung der Kolktiefe bei verschiedenen, den Spitzenabflüssen der Hochwasserereignisse entsprechenden Durchflüssen. Die Versuchsreihe 1 umfasste die Versuche am oben genannten Pfeiler 5 bei gerader Anströmung ( = 0) und beweglicher Sohle im Oberwasser. Die Sohle wurde während und nach den einzelnen Versuchen mit einem verfahrbaren Linienlaser vermessen. Hierzu wurden Matlab-Berechnungsprogramme entwickelt, die die Daten der Messungen an die korrekte Position verschoben, die Datenpunkte geringer Qualität herausgefiltert und die (mindestens sechs) Einzelmessungen zu einer einzelnen Datei zusammengeführt haben. Diese aufbereiteten Messergebnisse wurden anschließend mit der OpenSource-Software CloudCompare mit einer Referenzmessung verglichen, um die Veränderungen in der Sohle grafisch darzustellen. Weiters wurden gängige, empirisch ermittelte Gleichungen zur Bestimmung der Endkolktiefe angewandt und die Ergebnisse aus den Modellversuchen damit verglichen.

In the course of this thesis, model testing was conducted in the laboratories of the Department for Hydraulic Engineering at the Institute for Hydraulic Engineering and Engineering Hydrology of the Vienna University of Technology. This model testing analysed the scouring process in the immediate surroundings of a specific bridge pier (local scour). This pier number 5 belongs to the bridge between Höchst and Lustenau, which is situated in the project area of the flood protection project RHESI. The abbreviation “RHESI” stands for Rhein Erholung und Sicherheit, the river Rhine and the German words for recreation and security. It spans the last 26 kilometers of the Alpine Rhine, from the Ill estuary to the beginning of its mouth into Lake Constance. In this stretch, the discharge capacity in the event of flooding shall be increased from 3100 m3 /s (the equivalent of a centennial flood, i.e. a flood that statistically occurs once in every 100 years, HQ100) to at least 4300 m3 /s (HQ300). In this project area, ten bridges cross the river. Due to this change in discharge capacity, their pier foundations will have to sustain the bridges under very dierent flow conditions once the project is completed. The economically viable dimensioning of the safeguarding measures of the foundations requires knowledge of future maximal scour depths. In order to acquire such knowledge it was essential to create a 2,5 m wide and 30 m long test flume, first, to run preliminary tests to ascertain the characteristics of the model bed material and the current in the flume and, second, to conduct the experiments of testing series 1. In order to gather information on the properties of the model bed material, the bed movement was visually documented and assessed with the help of under-water video recordings. The flow conditions, represented by the velocities were measured in profiles transverse to the direction of flow with an ADV-probe (acoustic Doppler velocimeter). The aim of this testing series was to determine the local scour depth for dierent flow rates corresponding to the peaks of flooding events. Testing series 1 comprised experiments on the abovementioned pier 5 in a straight flow condition ( = 0) and mobile bed in the headwater. The bed elevation was measured with a movable laser-probe during and after the individual test runs. For this purpose, special Matlab-algorithms were developed that moved the measurement data to its concrete position, filtered out low-quality data points, and merged the at least six individual measurments into a single file. In order to chart the changes in bed elevation, these processed datasets were subsequently compared with a reference dataset, using the OpenSourcesoftware CloudCompare. In addition, established empirically ascertained equations for determining the scour depth were applied to cross-check the outcome of the testing series 1.