Rechenkraft@Wehr – Krafteinwirkung auf Schwemmholzrechen vor Wehranlagen von Laufkraftwerken

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502388
• Projekttitel Englisch: Rechenkraft@Wehr – Driftwood-induced force on racks at weirs

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Schwemmholzrechen sind eine der effizientesten Massnahmen um die Abflusskapazität sowie die Betriebssicherheit von gefährdeten Durchlässen zu gewährleisten. Das Zurückhalten des Schwemmhol-zes vor dem abflussbestimmenden Querschnitt (vollständiger Rechen), oder dessen Durchleiten als Alternative (aufgelöster Rechen), garantieren eine ungestörte Pegel-Abfluss-Beziehung. Beide Aspekte sind in der Literatur für Einläufe von Hochwasserentlastungsanlagen (HWE) bekannt. Bei Laufkraftwerken ist die Schwemmholzproblematik verstärkt, da das Holz der erhöhten Zuflussgeschwindigkeit dichter am Rechen liegt und diesen kompakter verlegt. Konsequenterweise wird der Rechen statisch auch stärker beansprucht. Die Rechenkraft unter einem extremen Schwemmholzanfall wird gegenwärtig für ein Reservoir-Szenario durch die Gesuchsteller im physikalischen Model untersucht, und wir möchte diese Versuche auf die Flusswehr-Konfiguration ausweiten.

Kurzbeschreibung (Englisch)

Driftwood racks represent one of the most efficient measure to maintain the discharge capacity and thus the operational safety of narrow sections, as inlets. The retention of driftwood upstream of the flow-determining section (with a full rack), or the passage of the latter (with a partial rack), guarantee a free rating curve. Both issues are detailed in literature for spillways. At weirs in rivers, however, this issue might be even more critical, since the driftwood arrives faster at the rack and gets thus more compact. Consequently, the rack suffers a larger statically load. Driftwood-induced forces on racks are currently investigated by the applicants for reservoir approach-flow in a physical model, and we propose to extend these tests also for in-the-river weir applications.

Schlussbericht (Deutsch)

Rechen stellen eine effiziente Massnahme zur Sicherstellung der Abflusskapazität sowie der Betriebssicherheit von Hochwasserentlastungsanlagen bei ausgeprägtem Schwemmholzanfall dar. Vorgängige Forschungsprojekte haben sich mit Fragestellungen in diesem Zusammenhang befasst, insbesondere zum Überstau, diversen Massnahmen zu dessen Begrenzung und auch zu Rechenkräften. Bei Laufkraftwerken ist die Schwemmholzproblematik noch verstärkt, da das Holz aufgrund der erhöhten Strömungsgeschwindigkeit dichter am Rechen liegt und diesen kompakter verlegt.

Die Kraft auf einen Rechenstab vor einer Wehranlage im Fliessgewässer für einen «extremen» Schwemmholzanfall wurde in Rahmen dieses Projekts im physikalischen Model untersucht. Die Randbedingungen wurden systematisch variiert, namentlich der Abfluss, die Strömungsgeschwindigkeit und der lichte Stababstand. Es wurde ein «extremer» Schwemmholzanfall angenommen, sowie ein aufgelöster und ein vollständiger Rechen.

Die Rechenkraft konnte erneut mit dem Strömungswiderstandskoeffizienten ausgedrückt werden. Die Schattenfläche war anzupassen, da das Holz bei grösseren Strömungsgeschwindigkeiten mehrlagig an den Rechen gedrückt wurde. Zudem war der Strömungswiderstandskoeffizient auf 27 zu erhöhen, im Gegensatz zu 20 für die Versuche auf Hochwasserentlastungsanlagen in Stauhaltungen.

Der Überstau an der verklausten Wehranlage war erwartungsgemäss abhängig vom Rechen und von der Geschwindigkeitshöhe der Anströmung, welche im Fliessgewässer grösser ist. Beide Effekte konnten quantifiziert werden. Es zeigte sich erneut der positive Effekt des Rechens auf die Abflusskapazität. Bei der Kombination von verlegtem Rechen und der kleinsten Wehrhöhen übernahm die Verklausung die Kontrolle über die Pegel-Abfluss-Beziehung. Das Wehr war nicht mehr massgebend.

Schlussbericht (Englisch)

Racks represent an efficient measure to maintain the discharge capacity and the operational safety of spillways on dams for a pronounced accumulation of driftwood. Previous research projects have dealt with these structures, in particular with regard to the reservoir level rise, various measures to limit the latter as well as with rack forces. In the case of run-on-river weirs, the problem of driftwood is amplified, since the wood clogs more compact on the rack due to the increased flow velocity.

The rack-bar force upstream of a river weir for an "extreme" accumulation of driftwood was investigated in the context of this project using a physical model. The boundary conditions were systematically varied, namely the discharge, the flow velocity and the rack bar spacing. An “extreme” accumulation of driftwood was assumed, as well as a partial and a full rack.

The driftwood-induced rack force could again be expressed in terms of the drag coefficient. The reference surface had to be adjusted since the driftwood was pushed in several layers against the rack at higher flow velocities. Over all, the drag coefficient had to be increased to 27, in contrast to 20 for the tests on spillways in reservoirs.

As expected, the reservoir level rise for the clogged weir depended on the presence of the rack and the approach flow head, which increase in rivers as compared to reservoirs. The effects of both parameters could be quantified. The positive effect of the rack on the discharge capacity was once more proven. With the combination of clogged rack and the smallest weir heights, the blockage took control of the rating curve, the weir was no longer decisive.

Schlussbericht (Französisch)

Les râteliers représentent une mesure efficace pour maintenir la capacité du débit et la sécurité de fonctionnement des évacuateurs de crue sur des barrages. Des projets de recherche antérieurs ont traité des problématiques dans ce contexte, notamment en ce qui concerne la surélévation de la retenue, diverses mesures pour limiter celle-ci et aussi les forces imposées aux barres de râtelier. Dans le cas déversoir au fil de l'eau (barrage vanné), le problème des bois flottants est plus important, car le bois est accumulé de manière plus compacte en raison de la vitesse d'écoulement amont amplifiée

La force sur une barre de râtelier en amont d’un déversoir dans une rivière a été étudiée dans le cadre de ce projet pour une accumulation « extrême » de bois flottants et à l'aide d'un modèle réduit. Les conditions de bord ont été systématiquement variées, à savoir le débit, la vitesse d'écoulement et l'espacement des barres. Une accumulation « extrême » de bois a été supposée, ainsi qu'un râtelier partiel et complet.

La force sur une barre de râtelier pouvait à nouveau être exprimée en termes de coefficient de traînée. La surface d’obstruction a dû être ajustée car les bois s’étaient appuyés en plusieurs couches contre les râteliers à des vitesses d'écoulement plus élevées. Le coefficient de traînée a dû être porté à 27, comparé à 20 pour les essais sur évacuateurs de crue en réservoir.

Comme prévu, la surélévation de la retenue était dépendant de la présence du râtelier et la charge cinétique de l’écoulement amont, étant prononcé dans des cors d’eau. Leurs effets pouvaient être quantifiés. L'effet positif du râtelier sur la capacité de débit a de nouveau été démontré. Avec la combinaison de râtelier obstrué et de petites hauteurs de pelle du déversoir, le blocage a pris le contrôle de la relation niveau-débit. Le déversoir n'était plus décisif.

Zugehörige Dokumente

• Rapport final [PDF] 6'431 kB