Modellversuche und fotogrammetrische Auswertung zur lokalen Kolkbildung an einem ausgewählten Brückenpfeiler

Abstract

Ziel dieser Arbeit war es, mittels Modellversuchen die lokale Kolkbildung im Nahbereich eines Brückenpfeilers zu untersuchen und durch photogrammetrische Auswertung die so entstandenen Kolke zu visualisieren und in weiterer Folge auch mögliche Kolkschutzmaßnahmen auszuarbeiten.Zu diesem Zweck wurden im Labor des Forschungsbereichs Wasserbau am Institut für Wasserbau und Ingenieurhydrologie der Technischen Universität Wien mehrere Versuchsreihen an einem modellierten Brückenpfeiler durchgeführt. Bei dem hierbei untersuchten Pfeiler handelt es sich um den Pfeiler 5 der Brücke von Höchst nach Lustenau. Diese ist Teil des Projektgebietes des Hochwasserschutzprojektes RHESI, welches die letzten 26 Kilometer des Alpenrheins umfasst.Im Zuge des länderübergreifenden Projekts „Rhein – Erholung und Sicherheit“, kurz RHESI, soll eine Renaturierung des Alpenrheins von der Ill-Einmündung bis zum Beginn der Vorstreckung inden Bodensee und damit einhergehend auch ein Ausbau der Hochwasserabflusskapazität von 3100m3/s (HQ100) auf mindestens 4300 m3/s (HQ300) erfolgen. Die dabei angestrebten Maßnahmen führen jedoch auch zu völlig neuen Anströmverhältnissen an den im Projektgebiet befindlichen Brückenpfeilern. Um die dadurch notwendigen Schutzmaßnahmen für die Fundamente und Tiefgründungen wirtschaftlich dimensionieren zu können, sind Kenntnisse über die zukünftig auftretenden Kolktiefen zwingend erforderlich.Hierzu wurden bereits erste Modellversuche in einer vorangegangenen Arbeit durchgeführt und die Ergebnisse mittels Laserscans ausgewertet. Um die verschiedenen möglichen Szenarien auch tatsächlich abdecken zu können war es nun erforderlich, weitere Versuche mit unterschiedlichen Versuchsparametern, wie geänderter Anströmrichtungen, Sohlquerschnitten oder auch eingeschränktem Geschiebetransport durchzuführen. Zu diesem Zweck wurden sieben weitere Versuchsreihen (Versuchsreihe 2–8) simuliert. Die Versuchsreihen 2-5 umfassen dabei Versuche mit unterschiedlicher Anströmrichtung ( = 0° und = 30°), beweglicher und befestigter Sohle im Oberwasser, sowie verändertem Sohlquerschnitt. Bei den Versuchsreihen 6-8 wurden anschließend Möglichkeiten des Kolkschutzes wiederum für unterschiedliche Anströmrichtungen untersucht.Zu diesem Zweck wurde auf Grundlage der aktuellen Literatur und den bereits erhaltenen Ergebnissen ein erforderlicher Kolkschutz berechnet und anschließend im Modell eingebaut und getestet.Um die erhaltenen Ergebnisse besser zu visualisieren, wurde vor, während und nach den einzelnen Versuchen die Sohle mittels Linienlaser und später auch über eine photogrammetrische Auswertung mittels der OpenSource-Software VisualSFM erfasst. Die somit erhaltenen Ergebnisse aus Laserscan und Photogrammetrie wurden in einem weiteren Schritt noch über die OpenSource-Software Cloud Compare jeweils mit einer Referenzmessung verglichen, um die entstandenen Sohlveränderungen grafisch darzustellen. Zusätzlich wurden auch die Ergebnisse der beiden Methoden miteinander verglichen, um die Aussagekraft der Messverfahren, sowie deren Vor- und Nachteile näher erörtern zu können.

The purpose of this work was to analyse the local scouring process in the immediate surrounding of a specific bridge pier via model testing and visualizing those results by using a photogrametry analysis. Furthermore a possible scour protection was elaborated and tested as well. Therefore several series of experiments were conducted on a model bridge pier in the laboratories of the Departement for Hydraulic Engineering at the Institute of Hydraulic Engineering and Water Resources Management of the TU Wien. The regarded model represents the pier number 5 ofthe bridge between Höchst and Lustenau and is part of the project area of the flood protection project RHESI, which spans the last 26 kilometers of the Alpine Rhine.The transnational project RHESI, short for „Rhein – Erholung und Sicherheit“ , whicht ranslates to Rhine – Recreation and Security, aims on a renaturalization of the Alpine Rhinefrom the Ill estuary to the beginning of its mouth into Lake Constance, associated with anupgrade of the flood discharge capacity from 3100 m3/s (HQ100) to at least 4300 m3/s (HQ300).These changes in the discharge capacity also lead to very different flow conditions around the bridge piers located in the project area. In order to ensure economically appropriate dimensioning of the therefore needed safe guards, knowledge of future occuring scour depths is essential.A first series of model testing has been conducted in a previous work and the results have been verified with a laser scanner. To cover all the possible case scenarios further model testing series with differently modified parameters, like direction of inflow, sole profil or limited bed-load discharge, were necessary. Therefore seven additional test series (test series nr. 2–8) were simulated. Series nr. 2–5 comprised tests with various directions of inflow ( = 0° und = 30°),mobile and immobile bed in the headwater, as well as modified sole profile. Following this, inseries nr. 6–8 possible scour protection was tested with various directions of inflow. Based on established literature and already obtained data a minimum required scour protection wascalculated and subsequently implemented in the test flume for further testing.For better visualization of the results the bed elevation was measured before, in-between andafter each test run employing a movable laser scanner and later also through a photogrammetric survey using the OpenSource-Software VisualSFM. In a final step the acquired datasets from laserscanning and photogrammetry were used as input for the OpenSource-Software Cloud Compare and compared with a reference dataset to illustrate the changes in bed elevation. Additionally the results of both methods were checked against each other to elaborate their validity as well as their pros and cons.