Hydraulischer Modellversuch zur Optimierung einer festen Wehranlagen

Abstract

Durch die zunehmende Förderung von nachhaltiger und umweltfreundlicher Energiegewinnung wird vermehrt Augenmerk auf die aus Wasserkraft gelegt. Die sorgfältigste Planung solcher Anlagen kann oft einen Modellversuch zur Überprüfung der Berechnungen nicht ersetzen. Im Rahmen dieser Arbeit wird die feste Wehranlage des Kraftwerks Rosenburg einer hydraulischen Optimierung unterzogen. Bei dieser Niederdruckanalge ist eine Sanierung geplant und im Zuge dieser soll eine Stauzielerhöhung durch ein höheres Wehrbauwerk erreicht werden. In dieser Diplomarbeit werden die Versuchsergebnisse von verschiedenen Wehr- und Tosbeckenvarianten miteinander verglichen, wobei das Hauptaugenmerk auf der Energieumwandlung im Hochwasserfall liegt. Am Beginn werden die hydraulischen Grundlagen, wie Abflussformeln, Wehrgeometrien, Energiedissipation im Tosbecken und Kolkeigenschaften beleuchtet. Da das Thema Kolke ein sehr komplexes ist und bei den durchgeführten Untersuchungen nur als indirekte Bewertungsmöglichkeit zur Anwendung kommt, wird in dieser Arbeit nur kurz darauf eingegangen. Anschließend werden insgesamt elf unterschiedliche Varianten durch Kombination von verschiedenen Wehrformen und Tosbecken entworfen und mit gängigen Bemessungsformeln überprüft. Diese Varianten wurden in der Zeit von November 2015 bis Jänner 2016 im Labor des Institutes für Wasserbau und Ingenieurhydrologie der TU Wien in einem hydraulischen Modellversuch untersucht. Als Wehrformen kommen Sturzwehre, Schusswehre und Stufenwehre in Frage, die mit Betontosbecken, Muldentosbecken aus Wasserbausteinen und Störkörpertosbecken zu den elf Varianten kombiniert werden. Dafür wird das Wehr des Kraftwerks Rosenburg in einem 1:25 Schnittmodell nachgebildet. Das Untersuchungsprogramm umfasst bei jeder Variante vier verschiedene Abflüsse, vom HQ10 bis zum HQ300. Bei jedem Versuch wird die Kolkentwicklung beobachtet und quantifiziert, um auf die Effektivität der Energiedissipation schließen zu können. Nach einer Beschreibung der einzelnen Versuchsabläufe im Schnittmodell werden die Ergebnisse aller getesteten Varianten evaluiert. In einem weiteren Schritt kommt es zu einer Gegenüberstellung der Ergebnisse der untersuchten Varianten, wobei keine Wiedergabe von naturnahen Kolkentwicklungen das Ziel ist, sondern eine qualitative Vergleichsmöglichkeit. Daraus lässt sich ein optimiertes Wehrbauwerk für die gegebene Situation entwickeln.

In recent years hydropower production has been increasingly focused on the promotion of sustainable and environmentally aware energy. In order to achieve this, in addition to precise calculations and forward planning, full model tests are required to ensure the accurate calibration of hydropower plants. This thesis will investigate the hydraulic optimization of an ungated weir at the Rosenburg hydropower station. Fixed weirs are common in most low head power plants. This project proposes to reconstruct the Rosenburg hydropower station and to increase the design water level through the use of a higher weir structure. In this thesis the results of a number of experiments undertaken using different design variants will be compared, focusing particularly on the energy dissipation during flood events. The first section of this paper highlights the fundamental basics of hydraulic theory, outlining discharge characteristics, crest geometry, energy dissipation in stilling basins and scour characteristics. The topic of scour characteristics is very complex and the effect on the scour as a result of the experiments can only serve as an indirect evaluation method. For that reason, scour is not explored in depth in this thesis. The paper is concluded using eleven different design variants, checked using formulas from wider research on this topic, that is accompanied by various crest geometries and stilling basins. The design variants discussed were investigated in a hydraulic model during the period from November 2015 to January 2016 in the laboratory of the Institute for Hydraulic and Water Resources Engineering of the Technical University of Vienna. To conduct these experiments a cross section model of the Rosenburg weir structure is built at a scale of 1:25. The research program containes four different discharges for each design variant, from HQ10 to HQ300. During each experiment the scour is monitored and quantified to infer the effectivity of energy dissipation. After a description of the test procedure for every design variant, the results are evaluated. The results of the investigated variants will be compared as controlled experiments that tests each variant. It is important to note that the results will differ to the scour found in natural environments. The outcome of this study results in an optimized weir for the Rosenburg hydropower station.