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unilogo Universität Stuttgart
Institute of Hydraulic Engineering

Research: Hydraulic Laboratory

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Hydraulische Untersuchungen für das Hochwasserrückhaltebecken am Goldersbach zum Hochwasserschutz des Ortsteils Lustnau
- Numerische Simulation und Physikalischer Modellversuch -
Project manager:Prof. Dr.-Ing. Silke Wieprecht
Deputy:Dr.-Ing. Sven Hartmann, AOR
Research assistants:Dr.-Ing. Markus Noack
Dr. rer.nat. Karolin Weber, M.Sc.
Dipl.-Phys. Gerhard Schmid
Duration:14.4.2009 - 30.4.2010
Funding:Universitätsstadt Tübingen, Fachbereich Tiefbau
Comments:

This project is part of the research area:
Hydromorphology

MMM- Monitoring, Measuring and Modelling

Publications: Link

Abstract:

Zum Hochwasserschutz des Ortsteils Lustnau soll ein Hochwasserrückhaltebecken gebaut werden, um im Hochwasserfall erhöhte Abflüsse des Goldersbach zwischenzuspeichern. Die Regelung des Steuerungsbauwerks sieht vor, dass bei Abflüssen im Goldersbach von mehr als 55 m³/s, die Überschreitungsmenge in den geplanten Retentionsraum „Klosterhof K2“ abgeleitet wird. Aus Gründen des Landschaftschutzes ist das maximale Retentionsvolumen begrenzt und nicht ausreichend, um das gesamte Volumen des Bemessungshochwasser aufzunehmen, wodurch der Damm als überströmbaren Damm konzipiert und konstruktiv derart gestaltet sein muss, dass er dem auftretenden Strömungsangriff im Bemessungsfall Stand hält. Im Rahmen dieses Projektes kam ein hybrides Modell zum Einsatz, welches aus einem hydrodynamisch-numerischen Modell für die Simulationen der Gesamtsituation (Überflutungflächen und Abflussaufteilungen) und einem physikalischen Modell für die Untersuchung von Detailfragen (Dammbelegung, Energieumwandlung) besteht. In Absprache mit dem Auftaggeber wurde zur konzentrierten Abflussabführung eine Dammscharte eingebaut.

Das numerische Modell erfasst den Fließgewässerabschnitt zwischen den Planungsabschnitten L-250 und L+1300, während das physikalische Modell den Dammbereich zwischen L+900 und L+1100 abbildet.

Der Dammentwurf sieht vor, dass der Damm auf der orografisch rechten Seite der Straße, inklusive Verschlussorgan, nicht überströmt wird. Die Dammscharte besitzt eine Abflusskapazität bis 110 m³/s. Für Q > 110 m³/s wird die gesamte Dammlänge überströmt. Die Höhenkote der Dammscharte liegt bei 328,30 müNN, der anschließende Dammabschnitt 3 liegt um 0,50 m höher auf 328,80 müNN. Der Dammabschnitt 4 bis hin zum Regelungsorgan (Fisch-bauchklappe) wird um weitere 0,20 m auf 329,00 müNN erhöht. Die Mauern und der Radweg werden in diesem Bereich entsprechend erhöht, damit keine Umströmung der Fischbauchklappe stattfinden kann.

Das hydrodynamisch-numerischen Modell für den Status Quo wurde anhand des Hochwasserereignisses 1987 kalibriert und entsprechend dem Planungszustand des Büros Pirker + Pfeiffer Ingenieure GmbH & CO. KG angepasst. Gemäß den Genehmigungsunterlagen von 2001 wurden stationäre Simulationen für Q = 110 m³/s und Q = 175 m³/s durchgeführt. Nach DIN 19700 gelten neue Bemessungsfälle (BHQ1 = 134 m³/s und BHQ2 = 225 m³/s), für die ebenfalls alle numerischen Berechnungen durchgeführt wurden. Die Ergebnisse der hydro-dynamisch-numerischen Modellierung sehen für die Überflutungssituation am Sauwasen eine Verlängerung des Damms S2 zur Vermeidung einer Überströmung vor sowie einen zusätzlichen Durchlass zwischen S3 und S2. Um eine Befüllung des Hochwasserrückhaltebeckens für Q > 55 m³/s zu gewährleisten, wird die Fischbauchklappe um 1,20 m auf das Ni-veau von 324,30 müNN abgesenkt. Die Breite der Fischbauchklappe ist 6,0 m, die Grenzwassertiefe beträgt 2,05 m. Die Rampen vor und nach der Fischbauchklappe müssen entsprechend angepasst werden. Bezüglich der Überflutungssituation unterstrom des Damms sind insbesondere die Gefährdungspotentiale für Personen und Fahrzeuge zu nennen, deren kritische Werte bei der Intensitätsbetrachtung flächig überschritten werden.

Die Kalibrierung des physikalischen Modells erfolgte basierend auf den Berechnungen des hydrodynamisch-numerischen Modells. Für den Hochwasserbemessungsfall 2 lieferte das numerische Modell eine Abflussaufteilung über den Goldersbach von QBach = 55 m3/s und über den Damm von QDamm = 170 m3/s. Das physikalische Modell bildet allerdings nicht den gesamten Damm ab; ein Teilabschnitt von DA3 und der gesamte Abschnitt DA4 fehlen im physikalischen Modell. Die Simulationen ergaben, dass im Hochwasserbemessungsfall 2 5 m3/s Wasser den im physikalischen Modell unberücksichtigten Dammabschnitt überströmen, weshalb im physikalischen Modell eine Abflussaufteilung über den Goldersbach von QBach = 60 m3/s und über den Damm von QDamm = 165 m3/s mittels Schieber exakt eingestellt wurde. Die Einstellung der unterstromigen Randbedingungen gemäß den im numerischen Modell für den Hochwasserbemessungsfall 2 berechneten Wasserspiegellagen erfolgte über die eingebaute Wehrklappe.

Die Untersuchungen zur Stabilität des Deckwerks ergaben, dass für den Bereich der Dammscharte eine Schüttung gebrochener Steine der Klasse LMB40/200 unzureichend ist, um die während der Überströmung des Dammkörpers angreifenden Schubkräfte über Reibung in den Dammkörper oder aber auf die Querriegel abzutragen. Eine in der Natur vierstündige Überströmung der Dammscharte entsprechend dem Hochwasserbelastungsfall hingegen führte bei einem Deckwerk aus gebrochenen Steinen der Steinklasse LMB60/300 zu keinem Austrag von Steinen aus der Dammscharte. Für den Dammabschnitt 3 konnte unter den gewählten Versuchsbedingungen bei einem Deckwerk aus gebrochenen Steinen der Steinklasse LMB40/200 ebenfalls kein Austrag von Steinen aus dem Deckwerk beobachtet werden.

Die Auswertung einer Versuchsreihe zur hydraulischen Wirksamkeit des Deckwerks ergab für alle untersuchten Abflussbedingungen im Bereich der Testfelder eine vollständige Energieumwandlung auf dem Dammkörper; eine Wechselsprungzone war in keinem Fall zu beobachten. Ferner kam es zu keinem Austrag von Steinen aus dem Deckwerk.