Krümmerschächte (Hydraulische Leistungsfähigkeit von schiessenden Krümmerschächten in Kanalisationen)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 664.12.21

Schlüsselwörter (Deutsch)

Krümmerschächte, FLOW3D, Abwasser

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Kanalisationen sollen Abwasser zur Abwasserreinigungsanlage (ARA) leiten. Ein ungewollter Austritt von Abwasser kann bei Krümmerschächten auftreten, wenn der Abfluss «schiessend» fliesst. Ab einer Neigung von ungefähr einem Prozent fliesst Wasser in Kanalisationsleitungen «schiessend».

Die Technische Dokumentation SIA D 0264 Hydraulik (2019) enthält einen hydraulischen Nachweis der Krümmerschächte. Die Arbeiten von Del Guidice, Gisonni und Hager bilden die Grundlage dieses hydraulischen Nachweises, zudem haben Gisonni und Hager eine angepasste Krümmerschachtgeometrie untersucht. Diese angepasste Geometrie besteht aus einem grossen Krümmerradius und einem Übergangsstück am Schachtende. Sie ist hydraulisch leistungsfähiger, jedoch erfordert ihr Erstellen grosse Bauwerke, die sich kaum mehr vorfabrizieren und transportieren lassen.

Als Hauptziel dieses Projektes gilt die systematische numerische Simulation der hydraulischen Leistungsfähigkeit von «kleineren» schiessenden Krümmerschächten (grosse Rohrduchmesser mit kleinen Krümmungsradien und einem kürzeren Übergangsstück), um deren Leistungsfähigkeit (Abflussgrenze ohne Zuschlagen, d.h. Wasseraustritt) zu kennen und allenfalls zu optimieren.

Das Projekt wurde aufgrund des Beitragsgesuchs vom 13.04.2021 genehmigt.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1. Alle notwendigen Vorbereitungen zur numerischen Simulation sind getroffen: Literaturstudium, Referenzdaten sind eingeholt, Kennwerte extrahiert, das Grundmodell zu den Simulationen ist aufgebaut und erste Simulations-Versuche sind gemacht.
2. Für 9 unterschiedliche Krümmerschachtgeometrien, bestehend aus unterschiedlichen Krümmungsradien und unterschiedlichen Längen des Übergangstückes, wurden 9 hydraulische Zustände mittels numerischer Simulation untersucht. Die numerische Simulation dieser 81 Konfigurationen erfolgte mittels FLOW3D.
3. Die Resultate sind ausgewertet und die massgeblichen Resultate im Rahmen einer Publikation bei einer Fachzeitschrift (z.B. ASCE und/oder VSA) eingereicht.
4. Ein Schlussbericht mit Darstellung der Ergebnisse aus 1 bis 3 und dem weiteren Vorgehen ist redigiert und dem BAFU abgegeben.
5. Textbausteine, Illustrationen und mindestens 3 Fotografien (genauere Angaben Beilage 2) für die Verwendung in öffentlichen Publikationen sind bereitgestellt und dem BAFU abgegeben.
6. Eine Präsentation der Ergebnisse mit entsprechender Power-Point Darstellung wird am Schluss des Projektes für interessierte Personen aus dem BAFU durchgeführt.

Projektziele (Deutsch)

Die Untersuchung erweitert den starren Rahmen der Technischen Dokumentation SIA D 0264 Hydraulik, um andere (hydraulisch effiziente und wirtschaftliche) schiessende Krümmer-schächte zuzulassen als die dort spezifizierten Geometrien.

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

• Das Literaturstudium zum Thema ist in Crispino et al. (2022b) dokumentiert und wird hier nicht weiter vertieft.
• Die Messdaten aus den verschiedenen physikalischen Modellversuchen wurden von den Partnern zur Verfügung gestellt (Pfister et al. 2022). Diese erlaubten es, das numerische Modell identisch aufzubauen wie das physikalische, und anschliessend die im physikalischen Modell getesteten hydraulischen Bedingungen einzuspeisen. Insgesamt wurden neun hydraulische Zustände simuliert.
• Anschliessend wurden Wellenhöhen sowohl aus dem physikalischen Modell wie auch aus den Simulationen extrahiert. Die Übereinstimmung der Höhen war typischerweise innerhalb von ±10%. Das validierte numerische Modell in Flow 3D wurde als geeignet beurteilt, um die Parametervariation durchzuführen.
• Im numerischen Modell wurden elf neue Geometrien untersucht, mit unterschiedlichen Krümmungsradien und Längen des Übergangstücks. Jede Geometrie wurde mit mehreren hydraulischen Zuständen betrieben (Teilfüllungsverhältnis, Abfluss). Es wurden insgesamt 167 hydraulische Zustände untersucht (Pfister et al. 2022).
• Die Datenauswertung hat eine Bemessungsformel ergeben, mit der die hydraulische Kapazität von schiessend durchflossenen Krümmern in Funktion des relativen Krümmungsradius, der relativen Länge des Übergangsstücks und des Winkels der Richtungsänderung angegeben werden kann. Diese Formel wurde mit den Daten der physikalischen Modellstudie verglichen und liefert gute Resultate.
• Die gewonnen Erkenntnisse wurden publiziert (Kapitel 4 dieses Dokuments). Der Schlussbericht wurde dem BAFU eingereicht. Gerne präsentieren wir die Resultate auch persönlich beim BAFU.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Die Dokumentation SIA D 0264 Hydraulik (2019) enthält einen hydraulischen Nachweis für schiessend durchflossene Krümmerschächte. Bei der zugrundeliegenden Geometrie generieren ein grosser Krümmungsradius und ein gerades Übergangsstück am Schachtende eine vergleichsweise grosse hydraulisch Effizienz. Die Implementation dieser Geometrie erfordert jedoch grosse Bauwerke, welche sich kaum vorfabrizieren und transportieren lassen.

Die Umlenkung der schiessenden Strömung erzeugt im Schachtinneren Stosswellen, die auf das Schachtende treffen und zum Strömungszusammenbruch führen können. Die Stosswellenhöhe hängt von der Umlenkung, dem Krümmungsradius und der Länge des Übergangsstücks ab. Die numerischen Simulationen haben es erlaubt, eine empirische Bemessungsgleichung herzuleiten, welche diese Parameter berücksichtigt. Sie ermöglicht es, die hydraulische Kapazität auch von «kleineren» Geometrien als jene der SIA D 0264 zu bestimmen. Ingenieure und Schachthersteller können die Krümmer neu aufgrund des Zusammenspiels von Geometrie und Kapazität optimieren.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Die Randbedingungen der Simulationen wurden in enger Zusammenarbeit mit Creabeton Produktion AG (Hr. Thomas Rohr) definiert. Damit ist sichergestellt, dass für die Praxis relevante Bedingungen untersucht wurden. Die Resultate werden in die Planung und Produktion einfliessen, bei Creabeton und anderen, dank der Veröffentlichung der Resultate. Eine erste Sitzung dazu hat am 7.9.2022 in Brugg stattgefunden. Das Projekt hat zweitens gezeigt, wie die hydraulische Bemessung und die Produktion aufeinander abgestimmt werden können. Es ist angedacht, aufgrund der hierin etablierten Zusammenarbeit und dem Vertrauen in die Simulationen, weitere spezielle Schächte (beispielsweise mit Durchmesseränderungen) numerisch abzubilden und mit bestimmten hydraulischen Zuständen zu betrieben. Drittens wurde ein weiterer Kanalisationsschacht identifiziert, zu dem es regelmässig hydraulische Fragen gibt. Forschungsseitig ist uns kein Ansatz dazu bekannt. Wir können uns daher vorstellen, dazu physikalische Modellversuche und Simulationen durchzuführen.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Pfister, M., Dorthe, D., Crispino, G. (2022). Performance hydraulique des regards de canalisations coudés en écoulement torrentiels. Rapport final, BAFU, Sektion Ökonomie und Innovation, Bern.

Crispino, G., Dorthe, D., Gisonni, G., Pfister, M. (2022a). Écoulements torrentiels dans les regards coudés. Cinquième Séminaire Hydraulique des canalisations VSA, 1-19, HEIA Fribourg (Vortrag und Artikel).

Crispino, G., Dorthe, D., Gisonni, C., Pfister, M. (2022b). Hydraulic capacity of bend manholes for supercritical flow. Journal of Irrigation and Drainage Engineering ASCE [prov accepted, open access].

Wir klären gegenwärtig ab, ob eine zweite Publikation im Journal of Irrigation and Drainage Engineering zu den normierten Wellenhöhen sinnvoll ist.