Untersuchungen zum Wellenauflauf bei Dammböschungen mit unterschiedlicher Beschaffenheit

Abstract

Der Freibord ist ein wesentliches Element zur Gewährleistung der Sicherheit von Absperrbauwerken. Die erforderliche Freibordhöhe wird durch die Windwellenwirkung mitbestimmt. Um einen Anhaltspunkt für die Wellenauflaufhöhen windinduzierter Wellen zu erlangen, wurden am Institut für Wasserbau und Ingenieurhydrologie der Technischen Universität Wien hydraulische Modellversuche durchgeführt. Für die Versuchsreihen wurden Wellen erzeugt, die bei Windgeschwindigkeiten von 20 m/s bis 35 m/s und Streichlängen von 500 m bis 3000 m entstehen. Diese Wellen unterscheiden sich in ihrer Wellencharakteristik und wurden zur Durchführung des Versuchsprogrammes nach dem Froudeschen Modellgesetz mit dem Maßstab l=5 verkleinert. Untersucht wurden die Dammneigungen 1:0 (vertikal), 1:1,5, 1:1,7 und 1:2 mit drei unterschiedlichen Rauigkeiten. Für die vertikale Wand und die Dammneigungen 1:1,5 und 1:1,7 wurden Versuche mit glatter Oberfläche durchgeführt. Die Dammneigungen 1:1,7 und 1:2 wurden mit Marmorsplitt hergestellt, dessen Korndurchmesser 4 mm bis 12 mm betrug. Dies entspricht in der Natur einer Korngröße von 20 mm bis 60 mm. Bei der Dammneigung 1:1,5 wurden zusätzlich Steine mit einer Größe von 95 mm bis 140 mm verwendet. In der Natur entspricht dies Steinen mit Größen von 475 mm bis 700 mm, die für Bruchsteinschüttungen verwendet werden. Die messtechnische Erfassung der Wellenparameter erfolgte durch Versuche in denen die Glasbaurinne mit einem Wellenabsorber versehen wurde. Mittels eines an der Stelle des Dammfußes angeordneten kapazitativen Messpegels wurden dabei die Referenzwellen gemessen. Zur Erfassung der Wellenauflaufhöhen am geneigten Damm und der vertikalen Wand wurde eine Kamera verwendet und deren Videoaufnahmen optisch ausgewertet. Bei den Versuchsergebnissen ließ sich eine starke Abhängigkeit der Wellenauflaufhöhen von den Wellenparametern, der Dammneigung und der Oberflächenrauigkeit feststellen. Die Versuche zeigten, dass höhere Wellensteilheiten zu höheren Wellenauflaufhöhen führen während bei Dammoberflächen mit größerer Rauigkeit geringere Wellenauflaufhöhen entstanden. Verglichen wurden die Versuchsergebnisse mit den zu erwartenden Wellenauflaufhöhen aus dem Merkblatt 246/1997 des Deutschen Verbandes für Wasserwirtschaft und Kulturbau zur Freibordbemessung an Stauanlagen (DVWK, 1997). Der Vergleich zeigt, dass die gemessenen Wellenauflaufhöhen niedriger ausfallen als die berechneten. Dies ist auch auf die hohen Sicherheitsbeiwerte in den Bemessungsformeln zurückzuführen.

The freeboard is a basic element in ensuring the security of water-retaining structures. The required height of the freeboard is determined by the impact of expected waves. In order to achieve an indication for the run-up heights of wind induced waves, a hydraulic simulation test was conducted at the Institute of Hydraulic Engineering and Water Resources Management at the Technical University of Vienna. For the simulation test, waves were produced by creating a wind velocity between 20 m/s and 35 m/s, with corresponding wave heights ranging from 500 m to 3000 m. These waves can be distinguished by their characteristics and were scaled down by using the Froude model. Dikes were examined with slopes of 1:0, 1:1.5, 1:1.7 and 1:2 with three different types of dike roughness. For the vertical board and the dike slopes of 1:1.5 and 1:1.7, tests with a smooth surface were conducted. The dikes with slopes of 1:1.7 and 1:2 were produced with marble chips having diameters ranging from 4 mm to 12 mm. This represents diameters of 20 mm to 60 mm in nature. For the dike slope of 1:1.5, stone chips with diameters ranging from 95 mm to 140 mm were used. This range corresponds to stones of 475 mm to 700 mm in nature, which are being used for quarry stone embankments. The measurements of the parameters of the waves were captured by a capacitive gauge located at the embankment toe. For capturing the run-up heights at the inclined dike as well as at the vertical board, a camera was used. Additionally, a wave-s behavior prior to reaching the dike was captured by an additional camera. The test results show a strong interrelationship between the wave heights, the inclination of the dike, and the surface characteristics. The results demonstrate that steeper waves lead to higher wave run-up, whereas rough surface lead to lower wave run-up. The test result were compared with the expected wave run-up heights according to Merkblatt 246/1997 des Deutschen Verbandes für Wasserwirtschaft und Kluturbau zur Freibordbemessung an Stauanlagen (DVWK, 1997).