Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Das Ziel des Forschungsvorhaben ist es, mittels physikalischer Modellversuche im geometrischen Massstab von etwa 1:30, das Verhalten und die Auswirkungen von Schwemmholz an Hochwasserentlastungen von Stauanlagen zu untersuchen.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Zur gefahrlosen Ableitung von Hochwasser an einem Sperrenbauwerk kommen Hochwasserentlastungen (HWE) zum Einsatz. Im Hochwasserfall werden neben Geschiebe und Schwebstoffen meist auch Schwimmstoffe wie Schwemmholz und Zivilisationsmüll transportiert. Verklausen die Schwimmstoffe an Einlaufbauwerken von HWE-Anlagen, kann dies zu Problemen führen. Insbesondere Verklausungen von Schwemmholz an Wehrkronen oder Wehrpfeilern reduzieren die Abflusskapazität der HWE. Wird dabei das erforderliche Freibord infolge des resultierenden Aufstaus nicht mehr eingehalten, kann es gar zur Überströmung des Sperrenbauwerks kommen. Frühere Untersuchungen zum Wasserspiegelaufstau infolge der Verklausung von Schwemmholz konzentrieren sich auf Wehranlagen mit flussähnlichen Zulaufbedingungen und weisen den Wasserspiegelaufstau in Funktion der Zulauf-Froudezahl aus, ein Konzept, das nur bedingt auf Mauerüberfälle mit Reservoirbedingungen anwendbar ist. Ein gezielter Rückhalt von Schwemmholz in ausreichender Distanz zum Wehrbauwerk verhindert einen übermässigen Wasserspiegelaufstau im Speicher, wie es unter anderem mit Schwemmholz-rechen oder ins Oberwasser auskragenden Wehrpfeilern gelingt. Die Literatur gibt eine Empfehlung zur erforderlichen Auskragung der Wehrpfeiler für eine vernachlässigbare Abflussreduktion an einem USACE-Standardwehr. Hingegen wurde die Wirkung unterschiedlich weit in den Stau-raum auskragender Pfeiler auf die Verklausung und den Wasserspiegelanstieg kaum betrachtet und Untersuchungen zur Verklausungen an Pfeilern von Wehren, dessen Profilformen vom Standardwehr abweichen, fehlen gänzlich. Auch sind die Empfehlungen zur Pfeilerauskragung nicht auf unterschiedlich poröse Verklausungskörper bezogen und es liegen keine Gleichungen zur Berechnung des Wasserspiegelanstiegs vor. Die vorliegende Studie der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW) der ETH Zürich befasst sich mit der Verklausungswahrscheinlichkeit von Einzelhölzern an den Wehrpfeilern, dem Schwemmholzrückhalt bei der Durchleitung grosser Schwemmholzgruppen, dem Wasserspiegelaufstau infolge der Verklausung an unterschiedlich stark auskragenden Wehrpfeilern eines mehrfeldrigen, unregulierten Mauerüberfalls einer Talsperre und dessen Beeinflussung durch die Porosität des sich ausbildenden Verklausungskörpers. Die Versuche wurden an einem gegenständlichen physikalischen Modell der Bogenstaumauer des Ausgleichsbeckens Ova Spin der Engadiner Kraftwerke AG (EKW) im Massstab 1:30 durchgeführt. Der Mauerüberfall dieser Talsperre ist durch sechs um 4.4 m auskragende Wehrpfeiler in sieben Wehrfelder unter-teilt. Im Rahmen der Untersuchungen wurden die Pfeilerauskragungen systematisch variiert, die Wehrfeldbreiten angepasst und zusätzlich das bestehende Wehr der Sperre Ova Spin durch ein USACE-Standardwehr ersetzt. Die Verklausungsversuche mit Einzelhölzern gehen auf die erforderlichen Wehrfeldbreiten zur gefahrlosen Durchleitung ein und zeigen, dass die Einzelhölzer im Nahbereich vor der Wehrkrone in Fliessrichtung ausgerichtet und grösstenteils durch die Entlastungsöffnung geleitet werden. Die
Schwemmholz am Mauerüberfall von Talsperren Versuche mit Schwemmholzgruppen wurden für unterschiedliche Längenverteilungen durchgeführt. Diese geben Hinweise zur relevanten Stammlänge, die für den Nachweis des Durchleitens eines Schwemmholzteppichs mit heterogener Längenverteilung seiner Stammhölzer anzusetzen ist. Demnach ist als relevante Stammlänge das 90%-Perzentil dem Median und dem Mittelwert der Längenverteilung vorzuziehen. Die Ergebnisse der Versuche zum Wasserspiegelaufstau umfassen Gleichungen zur Abschätzung des charakteristischen Schwemmholzvolumens, welches für den primären Wasserspiegelanstieg infolge der Verklausung der Wehröffnungen verantwortlich ist. Die vorliegende Arbeit liefert zudem Gleichungen zur Ermittlung der Oberflächengeschwindigkeit im Zulaufbereich zur Wehrkrone, der Eintauchtiefe des Verklausungskörpers, der dem Abfluss unter der Verklausung freistehenden Durchflussfläche und des Wasserspiegelaufstaus. Zusätzlich wird der Einfluss der Porosität des Verklausungskörpers auf den Wasserspiegelaufstau aufgezeigt. Bei schmalen Wehrfeldern können auskragende Wehrpfeiler die Funktion eines Schwemmholz-rechens übernehmen. Durch die entsprechende Dimensionierung der Pfeilerauskragung wird der Verklausungskörper in einem Bereich mit geringerer Oberflächenfliessgeschwindigkeit gebildet und dessen Eintauchtiefe entsprechend reduziert. Betragen die Oberflächenfliessgeschwindigkeiten an den Pfeilernasen weniger als 1 m/s, bildet sich ein loser Schwemmholzteppich, ohne Ausbildung eines vertikalen Verklausungskörpers. Die Untersuchungen der VAW zeigen, dass bei einer Auskragung ab Wehrkronenscheitel um das Mass der Überfallhöhe, respektive einem lichten Abstand zwischen dem Verklausungskörper und dem Überfallprofil von mindestens 85% der Überfallhöhe, selbst bei komplett verlegtem, dichtem Verklausungskörper der ungehinderte Abfluss gewährleistet wird. Es kommt somit lediglich zu einer vernachlässigbaren Abflussreduktion der Entlastung. Der Wasserspiegelaufstau infolge Verklausung der Wehrpfeiler kann auch an Wehren mit vom Standardwehr abweichendem Profil abgeschätzt werden, solange die Überfallprofile scharfkantig oder konvex gekrümmt sind und kein breitkroniges Wehr vorliegt.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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Overflow spillways are used for the safe discharge of water during floods at dam structures. Dur-ing a flood, floating materials such as driftwood and civilization waste can be transported in ad-dition to bedload and suspended material. The accumulation of these floating materials at the inlet structures of HWE facilities can lead to problems. In particular, the accumulation of driftwood at weir crests or weir piers reduces the discharge capacity of overflow spillways. If the required freeboard is no longer maintained due to the resulting backwater rise, the dam structure may even be overtopped.
Earlier studies on backwater rise due to wood accumulations mainly focused on weirs with fluvial flow conditions (high flow velocities) and identified the backwater rise as a function of the ap-proach flow Froude number and wood characteristics. However, this concept is only conditionally applicable to dam overflow spillways with reservoir conditions (low flow velocities). Driftwood retention at a sufficient distance from the weir structure can prevent a significant backwater rise in the reservoir. This can be achieved, for example, with driftwood racks or weir piers protruding into the headwater. A recent study proposed recommendations on the required weir pier extension for negligible flow reduction at a USACE standard weir. However, systematic experiments are still missing on the effect of different pier extensions into the reservoir on driftwood accumulation and backwater rise as well as studies of accumulations at weirs with profiles different from the standard weir. Up to now, the recommendations on the required weir pier extension are not related to different porosities of driftwood accumulations and there are no design equations to determine the backwater rise due to driftwood accumulations in reservoir conditions. The present study by the Laboratory of Hydraulics, Hydrology and Glaciology (VAW) at ETH Zurich investigated the blocking probability of individual logs at weir piers, the driftwood reten-tion during the passage of large driftwood groups, the backwater rise as a result of driftwood accumulation at weir piers extending into the headwater of an unregulated dam overflow spillway, and the influence of the resulting accumulation porosity. The experiments were conducted using a physical model of the arch dam Ova Spin of Engadiner Kraftwerke AG (EKW) with a model scale of 1:30. The dam spillway is divided into seven weir fields by six weir piers, extending 4.4 m into the headwater. For systematic investigations, the pillar extensions were varied, the weir field widths were adjusted and, in addition, the existing weir profile of the Ova Spin dam was replaced by a USACE standard weir profile.
The blocking probability tests with single logs address the criterion of the required dimensions of the weir field widths and show that single logs are aligned in the direction of flow in the area close to the weir crest and are mostly guided through the spillway. The tests with large driftwood groups were conducted for different length distributions. They provide information on the rele-vant log length to ensure the safe passage of a driftwood carpet consisting of logs with a hetero-geneous length distribution. According to these tests, the 90% percentile of the length distribution shall be used to calculate the required weir field width. The results of the experiments on backwater rise were combined in design equations for estimat-ing the characteristic driftwood volume, which is responsible for the primary backwater rise due to blocking of the weir openings at the pier noses. In addition, equations were derived to determine the surface velocity in the inflow area to the weir crest, the immersion depth of the accumulation body, the free flow area below the accumulation, and the backwater rise. In addition, this study presents the influence of the accumulation porosity on the backwater rise. Weir piers of narrow weir fields can act as a driftwood rack. A sufficiently large pier extension ensures driftwood accumulation in areas with low surface flow velocities, reducing the immersion depth of the forming accumulation. If the surface flow velocities at the pier noses are less than 1 m/s, the accumulation forms as a loose driftwood carpet without a vertical accumulation. A pier extension from the crest of the weir by the amount of the overflow height or a free distance be-tween the acculumation body and the weir profile of at least 85% of the overflow height, respec-tively, causes a negligible reduction in discharge coefficient even with a completely dense accu-mulation body. The backwater rise due to driftwood blockage at weir piers with weir profiles different from the standard weir can also be estimated as long as the profiles are sharp-crested or convexly curved and no broad-crested weir is present.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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Les déversoirs sont des éléments indispensables pour assurer le transit des pointes de crue à tra-vers un barrage. En cas de crue, des bois flottants et des déchets de civilisation sont habituellement transportés à la surface des cours d’eau ou des retenues d’eau. Des obstructions de ces matériaux flottants aux déversoirs peuvent mener à de graves problèmes. Les embâcles de bois flottant sur les crêtes ou à l’amont des piliers du déversoir réduisent notamment la capacité de décharge en cas de crue. Si les niveaux d’eau montent à cause du remous, le franc-bord requis ne peut plus être garanti. Au pire, ceci peut mener à la submersion du barrage. Les études précédentes sur ce sujet considéraient en premier lieu les barrages dans des conditions fluviales, en définissant le remous dû aux embâcles de bois en fonction du nombre de Froude. Ce concept n'est que partiellement applicable aux retenues d’eau. Pour éviter un exhaussement excessif du plan d’eau, les bois flottants doivent être retenus à une distance suffisante du barrage. Ceci peut être effectué avec des râteliers ou en prolongeant les têtes des piliers vers l’amont. La littérature scientifique donne des recommandations sur la saillie des piliers nécessaire pour empêcher une réduction du débit sur un déversoir standard USACE. Cependant, l'effet des piliers en saillie sur l’accumulation des bois flottants et l’augmentation subséquente des plans d’eau ont été peu considérés. Des études sur les effets des embâcles de bois à l’amont des déversoirs à profils non-standard font défaut. De plus, les recommandations ac-tuelles pour le dimensionnement de la saillie des piliers ne font pas référence à des porosités différentes des embâcles de matériaux flottantes et ils n’existent pas de formule pour le calcul du remous. La présente étude du laboratoire hydraulique VAW de l’EPF Zurich traite la probabilité de blo-cage des bois isolés sur les piliers du déversoir ainsi que la rétention de grands groupes de bois flottants. De plus, les influences de la saillie des piliers ainsi que de la porosité des embâcles ont été investiguées sur l’exemple d’un déversoir non régulé à plusieurs passes. Les essais ont été réalisés sur un modèle physique du barrage-voûte d'Ova Spin des Engadiner Kraftwerke AG (EKW) à l'échelle 1:30. Le déversoir de ce barrage est composé de sept passes séparées par six piliers en saillie de 4,4 mètres. Au cours des études, les saillies des piliers ainsi que les largeurs des passes du déversoir ont été systématiquement variées. De plus, le déversoir existant du barrage d'Ova Spin a été remplacé par un déversoir standard USACE. Les essais sur la probabilité de blocage des bois isolés prennent la largeur de la passe du déversoir ainsi que la longueur des troncs en considération et montrent que les bois isolés sont en général orientés dans le sens de l'écoulement. Par conséquence, ils sont en grande partie dirigés à travers l’évacuateur de crue. Pour les tapis de bois flottants, les essais ont été réalisés pour différentes distributions de longueurs et donnent des indications sur la longueur de tronc significative à pren-dre en considération pour le dimensionnement d’un déversoir. Selon les études de la VAW, la largeur relative des passes du déversoir doit être au minimum de 110% du percentile 90% de la distribution des longueurs. Les résultats des essais sur le remous du plan d’eau sont combinés à des équations afin d'estimer le volume caractéristique de bois flottants responsable de l’exhaussement primaire des niveaux d’eau. Le présent document propose en outre des équations permettant de déterminer la vitesse de surface à l’amont du déversoir, la profondeur d'immersion des accumulations de matériaux flottants, l’espace libre pour l’écoulement de l’eau sous l’accumulation ainsi que du remous. De plus, l'influence de la porosité des embâcles sur le remous est présentée. Si les passes du déversoir sont étroites, des piliers en saillie peuvent prendre le rôle de râteliers. Avec une saillie suffisamment grande, les accumulations des bois flottants sont formées dans une zone à vitesse de surface réduite. Par conséquence, la profondeur d'immersion des accumulations est minimisée. Si les vitesses de surface sont inférieures à 1 m/s, les tapis de bois flottants sont d’une faible densité et ne montrent pas d’accumulation verticale. Pour assurer le débit de dimensionnement du déversoir, même lorsque le corps d’accumulation est entièrement étanche, la saillie doit être égale à la hauteur déversante. En suivant cette recom-mandation, l’espace libre entre les accumulations et la crête du déversoir est d’au moins 85% de la hauteur de déversement. Ceci garantit un écoulement libre sous le bois accumulé. Avec les méthodes présentées, le remous dû aux embâcles de bois flottants peut également être estimé pour les déversoirs dont le profil diffère du type standard, tant qu’il s’agit de profils en paroi mince ou à crète arrondie. Ils ne sont pas applicables pour des déversoirs à seuil épais.
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