Optimierung verschleissresistenter Materialien an Sedimentumleitstollen und wasserbaulichen Anlagen

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/500731
• Projekttitel Englisch: Optimizing hydroabrasive-resistant materials at sediment bypass tunnels and hydraulic structures

Schlüsselwörter (Deutsch)

Nachhaltigkeit von Speicherkraftwerken, Stauraumverlandung, Sedimentumleitstollen, Hydroabrasion, Abrasionsschutz

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Seit Mitte des letzten Jahrhunderts ist weltweit eine grosse Zahl an Talsperren errichtet und in Betrieb genommen worden. Durch den steten Sedimenteintrag verlandet das Speichervolumen im Laufe der Betriebsdauer und führt zu verschiedenen Problemen: es kommt zu Einbussen bei der Energieproduktion, das Hochwasserretentionsvolumen wird kleiner und die Betriebssicherheit wird durch Verlegungen der Betriebsorgane und die verstärkte Abrasion gefährdet. Eine Lösungsmöglichkeit stellen Sedimentumleitstollen dar. Sie leiten sedimentreiche Hochwasserabflüsse um die Talsperre in den Unterlauf der Anlage. So werden nicht nur die erwähnten Probleme gelöst, sondern auch der natürliche Geschiebetrieb im Gewässer wieder hergestellt. Im vorgestellten Forschungsprojekt wird mittels Feldversuchen der Zusammenhang zwischen Einwirkung und Abrasionswiderstand verschiedener durch Geschiebe beanspruchter Materialien untersucht. Anschliessend werden die Resultate mit den systematischen Laborversuchen zu Korngrösse, Fracht, Mineralogie, Sohlenneigung und hydraulischen Kennwerten der laufenden VAW-Forschungsarbeit „Entwurf und Dimensionierung von Sedimentumleitstollen“ verglichen, um Hinweise auf Modell- und Massstabseffekte zu erhalten und Abschätzungen der Verschleissraten unter anderen geologischen Randbedingungen als in Solis zu ermöglichen. Schliesslich sollen den Planern und Betreibern von wasserbaulichen Anlagen, die starker Abrasion ausgesetzt sind/sein werden, Empfehlungen für die Auskleidung an die Hand gegeben und so ein Beitrag zum nachhaltigen Betrieb dieser Anlagen geleistet werden.

Schlussbericht (Deutsch)

Hohe Fliessgeschwindigkeiten und Sedimenttransport können an Sedimentumleitstollen (Sediment Bypass Tunnels, SBTs) und anderen Wasserbauten beträchtliche Verschleissschäden und hohe Kosten verursachen. Im vorliegenden Projekt wurde das Problem der Hydroabrasion mit systematischen Feld- und Laborversuchen untersucht. Die Zusammenhänge zwischen Strömung, Sedimenttransport, Materialeigenschaften und Abrasion wurden in den SBTs Solis, Pfaffensprung und Runcahez in der Schweiz untersucht. Die eingebauten Testfelder aus verschiedenen abrasionsbeständigen Materialien wie Spezialbetone, Basalt, Stahl und Granit wurden mittels mehrerer 3d-Laserscans vermessen, um die Abrasion zu quantifizieren. Der Abrasionswiderstand von Proben aus den SBTs wurde im Labor bestimmt. Die Abflussbedingungen in den SBTs wurden kontinuierlich überwacht. Der Sedimenttransport wurde im SBT Solis mittels einer Geophon-Anlage und Trübungssonden gemessen. Die Ergebnisse des Projekts werden über www.vaw.ethz.ch als Dissertation veröffentlicht. Die Ergebnisse dienen dazu, geeignete Auskleidungsmaterialien zu wählen, ihre Lebensdauer abzuschätzen und wasserbauliche Anlagen unter günstigen hydraulischen Bedingungen zu betreiben. Dies trägt zur wirtschaftlichen und nachhaltigen Nutzung der Wasserkraft bei.

Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
ETH Zürich, Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW)

Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Hagmann,Michelle
Albayrak,Ismail
Boes,Robert

Zugehörige Dokumente

• Optimierung verschleissresistenter Materialien an Sedimentumleitstollen und wasserbaulichen Anlagen (Teil I) - Schlussbericht [PDF] 6'550 kB
• Optimierung verschleissresistenter Materialien an Sedimentumleitstollen und wasserbaulichen Anlagen (Teil II) - Schlussbericht [PDF] 11'237 kB

Schlussbericht (Englisch)

High flow velocities and sediment transport can cause severe hydro-abrasion at Sediment Bypass Tunnels (SBTs) and hydraulic structures leading to high maintenance costs. In the present project the hydro-abrasion problem is addressed by systematic in-situ and laboratory investigations. The relationships between hydraulic conditions, sediment transport, material properties and abrasion were investigated in Solis, Pfaffensprung and Runcahez SBTs in Switzerland. The test fields with different abrasion resistant materials, i.e. special concretes, basalt, steel plates and granite, implemented in the SBTs were regularly scanned with a 3D-laserscanner to quantify the abrasion. The abrasion resistance of the samples from the SBTs was determined in the laboratory. The hydraulic conditions were monitored at the SBTs. Sediment transport was measured using a geophone system and turbidimeters at the Solis SBT.. The results of the project will be published as a Doctoral Dissertation onvwww.vaw.ethz.ch. The results will serve as a basis to choose suitable invert materials, to estimate their lifetimes and to operate the structures at favourable hydraulic conditions. This contributes to the cost-efficient and sustainable use of hydropower.

Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
ETH Zürich, Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW)

Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Hagmann,Michelle
Albayrak,Ismail
Boes,Robert

Zugehörige Dokumente

• Optimizing hydroabrasive-resistant materials at sediment bypass tunnels and hydraulic structures (Part I) - Anhang zum Schlussbericht [PDF] 3'481 kB

Schlussbericht (Französisch)

Des grandes vitesses d'écoulement et des sédiments peuvent engendrer des dégâts d'abrasion et des coûts considérables aux galeries de dérivation de sédiments (Sediment Bypass Tunnels, SBTs) et à d'autres structures hydrauliques. Ce problème a été abordé dans le présent projet par des essais systématiques in-situ et en laboratoire. Les relations entre les conditions hydrauliques, le transport des sédiments, les propriétés des matériaux et l'abrasion ont été analysées dans les SBTs de Solis, Pfaffensprung et Runcahez en Suisse. Les champs d'essai en différents types de bétons à haute performance, basalte, acier et granite, incorporées dans les SBTs, ont été mesurés par 3d-laserscanning pour quantifier l'abrasion. La résistance à l'abrasion des échantillons des SBTs a été déterminée en laboratoire. Les conditions hydrauliques ont été surveillées aux trois sites. A Solis, le transport de sédiments a été mesuré en utilisant un système de géophones et des turbidimètres. Les résultats du projet seront publiés dans une thèse de doctorat sur www.vaw.ethz.ch. Les résultats serviront à choisir des matériaux de revêtement adéquats, estimer leur durée de vie et exploiter les aménagements à des conditions hydrauliques favorables. Ceci contribuera à exploiter le potentiel hydraulique d'une manière économique et durable.

Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
ETH Zürich, Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW)

Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Hagmann,Michelle
Albayrak,Ismail
Boes,Robert