Advertisement

Wasserbau

  • Franz ZunicEmail author
  • Theodor Strobl
Living reference work entry
Part of the Handbuch für Bauingenieure book series (HFB)

Zusammenfassung

Die Kerndisziplinen des Wasserbaus sind die Stauanlagen, wie Wehre bzw. Flusssperren und Talsperren, aber auch Wasserkraftanlagen sowie der Flussbau. Dazu kommen der Hochwasserschutz, die Sanierung bestehender wasserbaulicher Anlagen und heute verstärkt auch Aspekte der Ökologie bei der Planung neuer Anlagen und bei der Renaturierung im Zuge der Modernisierung von Wasserbauten und bei der Neugestaltung flussbaulicher Anlagen.

Schlüsselwörter

Stauanlagen Wehre Flusssperren Talsperren Wasserkraftanlagen Wasserkraft Turbinen Flussbau 

Abkürzungen

DNK

Deutsches Nationales Komitee für Große Talsperren

DWA

Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V., Hennef

FEM

Finite-Element-Methode

GW

Grundwasserstand

HW

Hochwasser

ICOLD

International Commission on Large Dams, Lausanne (Schweiz)

OW

Oberwasser

RCC

Roller Compacted Concrete

UVP

Umweltverträglichkeitsprüfung

UW

Unterwasser

WAP

Wasserabpressversuch

1 Einleitung

In diesem Kapitel werden vorwiegend Fragen des konstruktiven Wasserbaus behandelt. Dabei liegt der Schwerpunkt bei der Gestaltung und konstruktiven Durchbildung von Stauanlagen (Fluss- und Talsperren) und deren Betriebseinrichtungen und Nebenanlagen. Daneben werden die Zielsetzungen und aktuellen Aufgaben des Flussbaus umrissen. Zuletzt wird ein Überblick in die Grundlagen der Stromgewinnung aus Wasserkraft gegeben. Dabei werden die wichtigsten Bauformen von Wasserkraftanlagen vorgestellt und der Einsatz und die Anordnung von Turbinen und Generatoren beschrieben.

Die hydrologischen und wasserwirtschaftlichen Grundlagen zur Bemessung wasserbaulicher Anlagen sowie die hydraulischen Beziehungen zur Beschreibung der vielfach komplexen Strömungsvorgänge an und in wasserbaulichen Anlagenteilen sind in Kap. „Technische Hydraulik“ und Kap. „Hydrologie und Wasserwirtschaft“ bereits behandelt worden. Wasserbauliche Anlagen der See- und Binnenschifffahrt sowie der Hafenbau sind in Kap. „Wasserstraßen“ zu finden.

2 Stauanlagen

Stauanlagen sind Wasserbauwerke, mit deren Hilfe Bäche und Flüsse aufgestaut werden. Man unterscheidet zwischen Tal- und Flusssperren. Eine Talsperre riegelt den gesamten Talquerschnitt ab, und das Gewässer wird bis zu den Talflanken hin aufgestaut. Bei einer Flusssperre begrenzen parallel zum Fluss verlaufende Stauhaltungsdämme den Aufstau seitlich im Tal (Abb. 1).
Abb. 1

Grundsätzlicher Unterschied zwischen Talsperre und Flusssperre

Während Talsperren i. d. R. über ein großes Beckenvolumen verfügen und damit in der Lage sind, einen hohen Anteil des Abflusses über einen langen Zeitraum zu speichern und nach Bedarf abzugeben, spielt bei Flusssperren die Wasserspeicherung eine untergeordnete Rolle. Nur bei Anlagen mit größerem Stauvolumen kann durch Zwischenspeicherung der Abfluss zeitweise zurückgehalten werden (Schwellbetrieb).

Sonderformen von Stauanlagen sind Hochwasser- (HW-)Rückhaltebecken zum Auffangen bzw. zur Dämpfung von Hochwasserabflüssen, Pumpspeicherbecken in Verbindung mit Hochdruck-Wasserkraftanlagen, Sedimentationsbecken zum Rückhalt absetzbarer Schwebstoffe und Geschiebesperren zum Rückhalt von Geschiebefrachten.

Wichtige Normen sind DIN 4048 Teil 1 (Wasserbau; Begriffe; Stauanlagen) und Teil 2 (Wasserbau; Begriffe; Wasserkraftanlagen) sowie DIN 19700 (Stauanlagen) mit den Teilen 10 bis 15.

Zu beachten sind weiterhin die Veröffentlichungen und Regelwerke der nationalen und internationalen Verbände, z. B. der Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. (DWA, früher DVWK) und des Deutschen Nationalen Komitees für Große Talsperren (DNK), welches Deutschland in der International Commission on Large Dams (ICOLD) vertritt. In dieser Organisation sind fast alle im Talsperrenbau tätigen Länder der Welt zusammengeschlossen.

2.1 Flusssperren (Staustufen)

An einer Flusssperre wird der gewünschte Aufstau durch Wehrbauwerke bewirkt. Dient die Staustufe auch der Erzeugung elektrischer Energie, wird neben dem Wehr eine Wasserkraftanlage errichtet. Als weitere Bauwerke kommen bei schiffbaren Flüssen Schleusen hinzu. Wehr, Wasserkraftwerk und Schleusen bilden das Absperrbauwerk und zusammen mit den Stauhaltungsdämmen die Staustufe (Abb. 2).
Abb. 2

Teile einer Flusssperre

Flusssperren erfüllen im Wesentlichen folgende Aufgaben:
  • Aufstau nach oberstrom für Ausleitungen (Bewässerung, Trinkwasserversorgung, Energieerzeugung und Schifffahrt),

  • Erhöhung der Fahrwassertiefe für die Schifffahrt,

  • Sohlstabilisierung durch Verringerung des Energieliniengefälles und damit der Schleppkraft der Strömung (Schutz des Flussbettes vor Eintiefung),

  • Anhebung des Grundwasserstandes,

  • Gewinnung von Fallhöhe zur Erzeugung elektrischer Energie,

  • Schaffung von Naherholungsräumen,

  • Landschaftsgestaltung (z. B. Kulturwehre in Städten).

Die meisten Flusssperren erfüllen gleichzeitig mehrere dieser Aufgaben und werden daher als Mehrzweckanlagen bezeichnet.

Da eine wasserbauliche Maßnahme weitreichende Auswirkungen auf das Flusssystem hat, ist ein Gesamtkonzept für den jeweiligen Flussausbau notwendig. Hierbei sind v. a. folgenden Einflüsse zu berücksichtigen:
  • Veränderung der Geschiebefracht, häufig verbunden mit einem Rückhalt von Kies und Sand im Staubecken und Eintiefungstendenzen im Unterwasser,

  • Sedimentation von Schwebstoffen vor dem Wehr,

  • Anhebung des Grundwasserspiegels im oberstromigen und Absenken im unterstromigen Bereich,

  • Änderung der Wasserqualität wegen geringerer Fließgeschwindigkeit,

  • Auswirkungen auf die standorttypische Lebensgemeinschaft des Gewässers.

Grundsätzlich gilt, dass die Veränderungen im Flusslauf umso geringer ausfallen, je niedriger der Aufstau ist. Wird die Fließgeschwindigkeit im Stauraum von v = 0,3 m/s nicht unterschritten, spricht man von einem „ökologisch vertretbaren Aufstau“.

Die Wehranlage stellt das Hauptbauwerk einer Flusssperre dar. Das Wehr staut den Fluss auf und gibt den Fließquerschnitt bei Hochwasser wieder frei. Besteht das Sperrenbauwerk aus einer massiven Stauwand ohne bewegliche Teile, spricht man von einem „festen Wehr“. Wenn der Aufstau überwiegend durch bewegliche Verschlussorgane erzeugt wird, handelt es sich um ein bewegliches Wehr. Eine Kombination aus einem festen Bauteil und beweglichen Verschlussteilen nennt man „kombiniertes Wehr“.

Der Absturz ist eine Sonderform des Wehres. Bei diesem Bauwerk ragt die Wehrkrone nur geringfügig – bis zu 15 % der Wassertiefe – über die Flusssohle. Abstürze erzeugen daher keinen Aufstau, sondern stützen lediglich die Flusssohle.

Feste Wehre

Feste Wehre sind die einfachste Möglichkeit, einen Fluss aufzustauen. Allerdings erlauben sie keine Abflussregelung. Der Wasserstand kann nicht vorgegeben werden, sondern stellt sich einzig aufgrund des jeweiligen Abflusses ein. Feste Wehre werden vorwiegend als Stützwehre zur Sohlstabilisierung und bei HW-Entlastungsanlagen von Talsperren verwendet.

Bestandteile eines festen Wehres. Die Bestandteile eines festen Wehres sind in Abb. 3 dargestellt. Oberhalb des massiven Staukörpers schützt der Vorboden aus großen Wasserbausteinen oder einer Betonplatte die Sohle vor Erosion.
Abb. 3

Bestandteile des festen Wehres. (nach DIN 4048 Teil 1)

Das Wehr selbst besteht aus einem massiven Staukörper, der allein durch sein Gewicht die Kräfte aus dem Wasserdruck in den Untergrund ableitet. Daraus ergibt sich ein einfaches Grundkonzept für die konstruktive Gestaltung des Wehrkörpers (Abb. 4). Die äußeren Umrisse des Wehres entsprechen größtenteils einem Grunddreieck, dessen Spitze in Höhe des Höchsten Stauzieles ZH liegt. In dieses Grunddreieck wird ein hydrodynamisch günstig geformtes Überlaufprofil eingepasst. Handelt es sich um eine Betonkonstruktion, muss die Neigung des Grunddreiecks und damit des Wehrrückens etwa bei 0,75 < b/h < 0,85 liegen, damit die angreifenden Momente aus Wasserdruck und Sohlenwasserdruck von der Gewichtskraft des Stützkörpers aufgenommen werden können. Eine konstruktive Fuge zwischen Wehrkörper und anschließendem Tosbecken bildet den fiktiven Drehpunkt beim Nachweis der Kippsicherheit des Bauwerks.
Abb. 4

Grunddreieck

Bei geschiebeführenden Flüssen empfiehlt es sich, Wehrrücken und Tosbecken mit einer mindestens 15 cm dicken Schicht aus verschleißfestem Beton nach DIN 1045 zu versehen. Störkörper sollten in diesem Fall mit einem Stahlmantel vor Erosion, Abrasion und Kavitation geschützt werden.

Ein besonderes Augenmerk verdient das Überlaufprofil. Es ist so zu gestalten, dass Strahlablösungen (Minderung der Abflussleistung) und zu große Unterdrücke (Kavitationsgefahr) vermieden werden. Je strömungsgünstiger dieses Profil ausgebildet wird, desto leistungsfähiger ist das Wehr. Die Abflussleistung Q eines Wehres mit der Breite B bestimmt sich ohne Rückstaueinfluss zu
$$ Q=\frac{2}{3}\cdot \mu \cdot B\cdot \sqrt{2g}\cdotp {\left({h}_{\ddot{u}}+\frac{v^2}{2g}\right)}^{\raisebox{1ex}{$3$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.}. $$

Wenn die Fließgeschwindigkeit v im Oberwasser kleiner als etwa 1 m/s ist, kann die Geschwindigkeitshöhe v2/(2·g) i. d. R. vernachlässigt werden. Der dimensionslose Überfallbeiwert μ ist von der Form der Überlaufkrone abhängig. Strömungsgünstig ausgerundete Profile erreichen μ-Beiwerte zwischen etwa 0,65 und 0,75.

Nach dem Wehrrücken folgt das Tosbecken. Hier findet die Energieumwandlung des Abflusses statt. Um die Flusssohle hinter dem Tosbecken vor Erosion zu schützen, bedarf es i. Allg. einer Sohlbefestigung in Form eines Kolkschutzes.

Heberwehr . Weil Heberwehre keine beweglichen Verschlussteile haben, zählt man sie zu den festen Wehren. Das hydraulische Prinzip und die Abflusscharakteristik dieser Sonderform ist in Abb. 5 dargestellt. Bei Erreichen eines Wasserstandes knapp über der innen liegenden Wehrschwelle springt der Heber an. Die Anspringnase lenkt den Wasserstrahl an die Heberhaube, die dadurch schnell evakuiert wird. Hierdurch kommt es zu einem raschen Übergang vom Freispiegel- zum Druckabfluss, und der Heber erreicht sehr schnell eine hohe Abflussleistung. Dieser Abfluss nimmt auch bei weiter steigendem Wasserstand kaum zu, da die Gesetze des Druckabflusses zugrunde liegen. Nimmt der Zufluss in die Stauhaltung wieder ab und erreicht der Wasserstand die Einlaufkante der Heberhaube, reißt der Wasserstrom infolge der eingesaugten Luft abrupt ab. Sonderkonstruktionen mit bedienbaren Belüftungsvorrichtungen erlauben eine frühere Einstellung des Abflusses.
Abb. 5

Heberwehr und Abflusscharakteristik

Aufgrund der geschilderten Abflusscharakteristik ist ein Heberwehr nur eingeschränkt steuerbar und auch nicht überlastbar. Es bietet damit keine Reserven für extreme Hochwasserabflüsse. Dennoch wurden Heberwehre früher vielfach als HW-Entlastungsanlagen bei Fluss- und Talsperren verwendet, weil sie eine hohe spezifische Abflussleistung aufweisen.

Bewegliche Wehre

Bewegliche Wehre sind Stauvorrichtungen, bei denen ein Aufstau durch bewegliche Stahlverschlüsse bewirkt wird. Diese können ganz oder teilweise geöffnet werden; auf diese Weise ist eine Beeinflussung des Oberwasserstandes durch Regulierung der Durchflussleistung möglich.

Bei schwierigen Randbedingungen wie Schräganströmung oder Einstau vom Unterwasser sollten anhand wasserbaulicher Modelluntersuchungen die hydrodynamischen Kräfte auf die Verschlüsse genau ermittelt werden, damit die Antriebsorgane ausreichend sicher dimensioniert werden können. Dabei lässt sich auch die Formgebung der Verschlüsse optimieren.

Das Öffnen und Schließen der Verschlüsse kann mechanisch, hydraulisch, elektrisch oder selbsttätig durch das Wasser erfolgen. Die Randbedingungen – Bemessungshochwasserabfluss, Eis und Geschiebe, Untergrundverhältnisse und optische Erscheinung – bestimmen die Art der Verschlüsse, die Anzahl der Wehrfelder und deren lichte Weite sowie die Stauhöhe.

(n-1)-Bedingung. Bei Hochwasser muss die Stauwirkung des Wehres eingeschränkt oder ggf. aufgehoben werden. Die Verschlüsse müssen sicher geöffnet, und der ursprüngliche Flussquerschnitt muss freigegeben werden können. DIN 19700 Teil 13 schreibt hierzu die Einhaltung der sog. (n-1)-Bedingung vor. Diese Vorschrift verlangt, dass Wehre mit beweglichen Verschlüssen so zu dimensionieren sind, dass das Bemessungshochwasser BHQ1 auch bei Ausfall eines Wehrfeldes schadlos und unter Einhaltung des festgelegten Hochwasserstauziels abgeführt werden kann. Bei unterschiedlichen Wehrfeldern muss jenes mit der größten Abflussleistung als nicht zu öffnen unterstellt werden. Bei Wehrfeldern mit mehreren Verschlüssen übereinander (z. B. Staubalkenwehre) genügt es, die leistungsfähigste Öffnung als geschlossen anzusetzen, wenn im Revisions- oder Reparaturfall auch tatsächlich nur ein Verschluss und nicht ein ganzes Wehrfeld abgeschlossen wird. DIN 19700 Teil 13 wird zurzeit überarbeitet und erscheint Ende 2018 als Neuauflage. Gleiches gilt für das bisherige DVWK-Merkblatt über die (n-a) Regel (DVWK 1990), das 2019 als neues DWA-Merkblatt der DIN angepasst und erweitert erscheinen wird. Darin ist u. a. festgelegt, dass a immer ≤ 1 sein muss.

Die (n-1)-Bedingung muss sowohl die Möglichkeit des Ausfalls eines Verschlusses durch Reparatur- und Wartungsarbeiten als auch das unvorhergesehene Blockieren des Verschlusses oder Versagen der Antriebsaggregate abdecken. Zusätzlich ist noch folgendes zu beachten:
  • Revisions- und Reparaturarbeiten sollten nur in Niedrig- oder Mittelwasserzeiten durchgeführt werden,

  • Minimierung des Öffnungsrisikos durch Wahl bewährter Verschlusssysteme wie Klappe, Segmentverschluss oder Schütz,

  • Bevorzugung von Wehrverschlüssen, die sich allein aus dem Wasserdruck (z. B. Stauklappen) oder mit nur geringer Antriebskraft (z. B. Sektoren und Segmentverschlüsse) öffnen lassen.

Einteilung der beweglichen Wehre. Am zweckmäßigsten unterteilt man bewegliche Wehre anhand ihrer Verschlüsse. Grundsätzlich unterscheiden sich diese durch die Bewegung beim Öffnen und Schließen und die Art, wie der Abfluss freigegeben wird. Verschlüsse werden entweder durch Heben und Senken oder über eine Drehbewegung des Verschlussorgans verstellt und dadurch über- oder unterströmt. Die Kombinationen von unterschiedlichen Verschlusstypen ermöglicht die gleichzeitige Über- und Unterströmung.

Bei der Wahl der Verschlüsse ist besonders auf eine gute Abfuhr von Eis, Geschiebe und Geschwemmsel zu achten. Eine Einteilung verschiedener Verschlusstypen zeigt Abb. 6.
Abb. 6

Einteilung wichtiger Verschlüsse bezüglich ihrer Bewegung und der Art der Abflussfreigabe

Hubverschlüsse. Das Dammbalkenwehr besteht aus einzelnen Balken, die horizontal übereinander in seitlich in den Pfeilern eingelassene Dammbalkennuten eingeführt werden. Sie geben dort die Wasserdruckkräfte an die Pfeiler ab. Die Abdichtung zwischen den Balken gewährleisten längs der Berührungsflächen eingelassene oder aufgeschraubte Gummileisten. Da das Bedienen dieses Verschlusses sehr umständlich und zeitraubend ist, wird er heute nur noch als temporärer Revisionsverschluss verwendet. Häufig werden hierzu größere Dammtafeln eingesetzt. Mit Hilfe eines Portal- oder Autokranes lassen sich die Elemente ober- und unterwasserseitig eines Wehrverschlusses einführen und ermöglichen so die Inspektion des Wehrkörpers und der Wehrverschlüsse.

Beim Nadelwehr bilden dicht nebeneinanderstehende Bohlen, stählerne Rohre oder Spundbohlen den Verschluss. Die so entstehende Staufläche wird leicht geneigt an eine Brücke oder einen Steg angelehnt. Eine Aussparung am Wehrboden (Schloss) sorgt für die Arretierung der einzelnen Nadeln am Fußpunkt. Zum Regulieren werden einzelne Nadeln entfernt. Umständliche Bedienung und Wasserdurchlässigkeit sind die Gründe, warum auch dieser Verschluss praktisch nur noch für Revisionszwecke verwendet wird.

Die früher weit verbreiteten Hubschützen finden heute im Bereich der Flusssperren fast keine Verwendung mehr, allenfalls bei kleinen untergeordneten Anlagen oder aus Gründen des Denkmalschutzes. Zu begründen ist dies zum einen durch die hydraulisch ungünstige Energieumwandlung infolge der fehlenden Möglichkeit einer gleichzeitigen Über- und Unterströmung. Zum anderen erfordern die aus dem Wasserdruck resultierenden Reibungskräfte in den Auflagernischen große Hubkräfte und stellen damit im Vergleich zum Drehverschluss ein erhöhtes Öffnungsrisiko dar. In den Pfeilern sind v. a. bei Rollschützen große Nischen für das Auflager notwendig, was statisch und hydrodynamisch ungünstig ist.

Bei großen Kräften aus Wasserdruck empfiehlt sich die Verwendung von Rollschützen statt Gleitschützen, da die Rollreibung nur 10 % der Gleitreibung beträgt (μgleit = 0,3; μroll = 0,03). Bei kleinen Verschlussflächen stellen die Hubkräfte i. d. R. kein Problem dar. Daher werden Schützen auch als Absperrorgane beim Grundablass einer Talsperre eingesetzt. Das Regelorgan sollte dabei als Rollschütz geplant werden. Für Revisionsverschlüsse sind wegen des vorhandenen Druckausgleichs Gleitschützen verwendbar, da hier keine großen Hubkräfte aus Wasserdruck vorhanden sind.

Aufsatzklappen können die Sicherheit und die Wirtschaftlichkeit von Hubschützen wesentlich verbessern. Außerdem wird die Energieumwandlung positiv beeinflusst. Diese kombinierten Verschlüsse werden bei Stauhöhen bis etwa 10 m und lichten Weiten zwischen 20 und 30 m eingesetzt, wobei die Klappenhöhe je nach Anlagengröße üblicherweise zwischen 1,0 und 3,5 m beträgt (Abb. 7).
Abb. 7

Schütz mit Aufsatzklappe

Beim Hakendoppelschütz handelt es sich um eine Kombination von zwei Hubschützen (vgl. Abb. 6). Dieser Wehrverschluss wird bei Stauhöhen von 8 bis 16 m und lichten Weiten bis 40 m eingesetzt. Kleinere Abflüsse werden durch ein Absenken der Oberschütze abgeführt; ist unterwasserseitig ein ausreichend großes Wasserpolster vorhanden, kann das Unterschütz angehoben und schließlich der zusammengefahrene Verschluss ganz aus dem Wasser herausgehoben werden. Neben den großen Hubkräften sind die benötigten vier Antriebe und der erhöhte Verschleiß der Dichtungen wesentliche Nachteile. Daneben kommt es leicht zu Spritzstrahlen, die im Winter vereisen und den Antrieb blockieren können. Außerdem erfordern diese Verschlüsse wegen der großen Hubhöhen und tiefen Nischen breite und hohe Pfeiler, die im Landschaftsbild eines Flusstales heute als störend empfunden werden.

Drehverschlüsse. Beim Segmentwehr besteht der Staukörper aus einer geraden oder kreiszylindrischen Blechhaut mit entsprechenden Aussteifungen. Durch Drehen um eine feste horizontale Achse wird er aus dem Wasser gehoben. Der Staukörper wird meist so gestaltet, dass der resultierende Wasserdruck durch das Gelenk geht oder mit einer kleinen Exzentrizität am Gelenk vorbeigeht (um das Eigengewicht beim Öffnen zu kompensieren) und somit nur geringe Hubkräfte notwendig sind. Segmente sind daher ideale Verschlusskörper für Wehranlagen mit hohem Wasserdruck bzw. großer Stauhöhe (Abb. 8).
Abb. 8

Kräfte am Drucksegment

Zu den Vorteilen des Segmentwehres gehören neben den geringen Hubkräften die schmalen Pfeiler, da keine Nischen benötigt werden. Weil genügend Platz für das Herausdrehen des Verschlusses vorgesehen werden muss, bereitet allerdings die Positionierung von Wehrbrücken manchmal Schwierigkeiten.

Beim alleinigen Einsatz von Segmenten findet eine schlechte Energieumwandlung statt, da der Verschluss nur unterströmt wird. Die Kombination mit überströmbaren Aufsatzklappen hebt diesen Nachteil auf. Gleichzeitig erleichtert die Klappe die Feinregulierung des Abflusses und damit die Einhaltung des Stauzieles.

Beim Drucksegment liegen die Segmentarme und Lager auf der Unterwasserseite, werden also auf Druck beansprucht. Die Blechhaut des Verschlusses ist kreiszylindrisch geformt. Ein Nachteil beim Drucksegment ist, dass die Segmentarme auf Druck und die Wehrpfeiler im Bereich der Krafteintragung auf Zug beansprucht werden. Dies bedingt eine zusätzliche Pfeilerbewehrung hinter dem Drehgelenk zur Rückverankerung der aufzunehmenden Kräfte. Wegen der Konzentration des Wasserdruckes auf nur zwei Lagerpunkte ist die Breite der Wehrfelder (in Abhängigkeit von der Stauhöhe) auf maximal etwa 25 m begrenzt. Ein besonderer Vorteil des Drucksegments ist die leichte Zugänglichkeit des Verschlusses und der Antriebe für Revisionszwecke.

Bei Zugsegmenten liegen die Segmentarme und das Lager auf der Oberwasserseite (Abb. 9). Der Verschlusskörper wird aus einer ebenen Stauwand hergestellt. Als Vorteil ist die optimale Ausnutzung der Baustoffe zu nennen: Die Segmentarme erhalten Zug, die Krafteinleitung in den Beton erfolgt auf Druck im oberstromigen Pfeilerbereich. Die Lager liegen unter dem Wasserspiegel und können nicht wie bei Drucksegmenten infolge Spritzwassers vereisen. Auch sind bei zusätzlichen Aufsatzklappen, anders als bei Drucksegmenten, keine konstruktiven Schutzmaßnahmen für die Segmentarme gegen den Überfallstrahl notwendig. Ein Nachteil ist die notwendige Reduzierung der Überfallbreite durch Leitbleche zum Schutz der Antriebe, da diese unmittelbar in der Strömung liegen würden.
Abb. 9

Beispiel für ein Wehr mit Zugsegment und Aufsatzklappe

Wegen der geschilderten Probleme mit den Zuleitungen zu den Hydraulikarmen wird der Antrieb mitunter auf der Unterwasserseite des Verschlusses angeordnet. Die Kraftübertragung ist dann jedoch nur möglich, wenn der Pfeiler hinter dem Zugsegment ausreichend hoch ausgeführt wird und die Lagerpunkte der Zylinder damit höher positioniert werden können. Nur dann kann ein Zugsegment weit genug angehoben werden. Zum Bewegen der Verschlüsse dienen elektromechanische (Ketten) oder hydraulische Antriebe (Zylinder).

Ein Vergleich zwischen Drucksegment und Zugsegment geht zugunsten des Drucksegmentes aus. Da der Materialpreis i. d. R. eine untergeordnete Rolle spielt und das Drucksegment sowohl beim Antrieb als auch bei Wartungsarbeiten viele Vorteile gegenüber dem Zugsegment aufweist, werden heute fast ausschließlich Drucksegmente gebaut.

Konstruktive Empfehlungen für Segmente: Die Länge der Stahlarme eines Zug- und Drucksegments sollte etwa das 1- bis 1,3-fache der Verschlusshöhe (einschließlich der Höhe der Aufsatzklappe) betragen (Abb. 10). Aus strömungstechnischen Gründen ist die Stauwand beim Drucksegment rund, beim Zugsegment gerade. Das Gewicht eines Segmentverschlusses kann mit etwa 3 bis 5 kN pro Quadratmeter Staufläche angesetzt werden.
Abb. 10

Geometrie von Druck- und Zugsegment

Der Aufsetzpunkt der Verschlüsse ist etwa 5 cm unter der Wehrschwelle anzuordnen, damit eine bessere Anströmung des Wehrrückens ermöglicht wird. Beim Drucksegment sollte die Neigung des Wehrrückens nicht steiler als b/h = 2:1 und beim Zugsegment möglichst flacher als b/h = 1:1 gewählt werden, damit sich die Strömung an die Kontur des Wehrrückens anlegt. Da beim Zugsegment die Wehrschwelle steiler ausgeführt werden kann, ist die Längenentwicklung der Wehranlage kürzer als bei einem Drucksegment.

Klappenwehre sind Drehverschlüsse, die an einer Wehrschwelle oder auf beweglichen Verschlüssen gelagert sind (Abb. 11). Die Pfeiler können relativ schmal gehalten werden, da Klappen keine Nischen beanspruchen. Ein einseitiger Antrieb über ein Torsionsrohr ist ebenso unproblematisch wie ein seitlicher Antrieb mittels Hydraulikzylinder. Der Wasserabfluss ist sehr gut regelbar und die Funktionstüchtigkeit im Hochwasserfall auch beim Ausfall der Antriebsorgane gewährleistet, da der Wasserdruck das Öffnen unterstützt. Darüber hinaus können Eis und Geschiebe gut abgeführt werden. Bei stark geschiebeführenden Gewässern ist allerdings eine erhöhte Verschleißwirkung am Verschlussrücken und an der Horizontaldichtung zu berücksichtigen.
Abb. 11

Klappenwehr im Schnitt

Klappen sind dann gut einsetzbar, wenn der Unterwasserstand auch beim Bemessungshochwasserabfluss unter dem Klappengelenk bleibt. Steigt das Unterwasser über den Klappendrehpunkt an, resultieren durch den Einstau der Belüftungsöffnungen pulsierende dynamische Kräfte auf die Klappenunterseite. Lässt sich der Einstau der Klappe von Unterwasser nicht vermeiden, so empfiehlt sich ein Ausbetonieren der Hohlkörper der Klappe, um ihre stabile Lage unter Wasser sicherzustellen. Die Antriebskräfte müssen dann entsprechend groß dimensioniert werden.

Zum Aufrichten von Klappen sind ebenfalls große Kräfte notwendig, da der gesamte Wasserdruck zu überwinden ist. Werden Klappen einseitig angetrieben, können sie bei Stauhöhen von bis zu 6 m mit Lichtweiten bis 20 m und bei Stauhöhen kleiner als 2 m bis zu 40 m verwendet werden. In Kombination mit anderen Wehrverschlüssen (Hubschützen, Segmenten, Staubalken) lassen sich auch größere Stauhöhen erzielen.

Konstruktionshinweise: Die Sekantenneigung in Staustellung sollte etwa 60° betragen. Der Klappenrücken ist so zu formen, dass Strahlablösungen und größere Unterdrücke beim Überfall vermieden werden. Der Klappenradius ist daher in Abhängigkeit von der Verschlusshöhe zu wählen und sollte etwa das 1,7- bis 2,8-fache der Verschlusshöhe betragen.

Der Raum zwischen Verschluss und Überfallstrahl muss ausreichend belüftet sein, um Schwingungen zu vermeiden. Dies lässt sich durch Strahlaufreißer erreichen, die allerdings nur bei kleinen Überströmungshöhen wirkungsvoll sind, sowie durch Belüftungskanäle, die in den Pfeilern bzw. Wehrwangen liegen und unter dem Drehpunkt der Stauklappe ausmünden.

Beim Antrieb über ein Torsionsrohr wird dieses in das Innere der Wehrpfeiler geführt, wo sich die Antriebskammer befindet. Auf ausreichende Breite der Pfeiler ist in diesem Fall zu achten. Auch ein Antrieb von unten aus dem Wehrrücken heraus ist mit Hilfe von Druckzylindern möglich, wenn im Wehrkörper genügend Raum vorhanden ist.

Ein Sektorwehr besteht aus einer kreisförmigen Stauwand, die mit einem Ablaufrücken verbunden ist. Dieser Verschluss (meist aus Stahl) wird drehbar gelagert. Die Wehrschwelle muss gegen die Stauwand abgedichtet werden. Durch eine hydraulische Verbindung der Sektorkammer mit dem Oberwasser wird das Sektorwehr infolge des entstehenden Überdrucks angehoben; werden die Ventile zum Unterwasser geöffnet, senkt sich der Staukörper infolge des Druckabbaus wieder ab (Abb. 12). Dieser Staukörper wird somit nur hydraulisch – ohne Fremdenergie – bewegt. Es sind Lichtweiten bis 60 m möglich, da die Kraft linienförmig in den Wehrkörper abgetragen wird. Die Pfeiler benötigen keine Nischen und Antriebsvorrichtungen und können dadurch sehr niedrig, schmal und ohne Aufbauten gehalten werden, was eine optisch ansprechende Gestaltung der Wehranlage bewirkt. In den Pfeilern sind nur die Füll- und Entleerungsleitungen untergebracht. Da große Stauhöhen tiefe Sektorgruben zur Folge haben, werden Sektorwehre nur bei Stauhöhen zwischen 6 und 9 m eingesetzt.
Abb. 12

Sektorwehr

Kombinierte Wehre

Kombinierte Wehre ohne festen Staukörper. Bei einem Segmentwehr bringen zusätzliche Klappen (vgl. Abb. 9) den Vorteil, dass dieser Wehrtyp sowohl über- als auch unterströmt werden kann. Dies ermöglicht eine bessere Energieumwandlung und gestattet die Feinregulierung der Abflüsse. Bei Drucksegmenten mit Aufsatzklappe müssen die Segmentarme vor dem Überfallstrahl geschützt werden. Dies ist z. B. durch Leitbleche auf den Stauklappen möglich. Bei Zugsegmenten mit Aufsatzklappen ist dieser zusätzliche Schutz nicht notwendig, jedoch müssen bei Kettenantrieb kleine Abweisbleche auf den Klappen zum Schutz der Ketten angebracht werden.

Kombinierte Wehre mit festem Staukörper. Da ein fester Staukörper aus Beton i. d. R. billiger ist als ein entsprechend hohes Stahlbauteil, kann es bei Stauhöhen ab 10 m wirtschaftlicher sein, die Stauhöhe durch eine Kombination aus festem und beweglichem Wehr zu erzielen.

Feste Betonteile kleiner als etwa 15 % der Oberwassertiefe nennt man „Höcker“, und die Anlage wird noch den beweglichen Wehren zugeordnet. Erst bei einem höheren Anteil am Aufstau handelt es sich um einen festen Staukörper, und man ordnet die Anlage den kombinierten Wehren zu. In Verbindung mit festen Staukörpern lassen sich sowohl Klappen als auch Zug- und Drucksegmente sinnvoll einsetzen.

Der feste Staukörper wird in seiner Größe und Form genauso wie bei den festen Wehren mit Hilfe eines Grunddreiecks konstruiert. Dieser Wehrtyp ist jedoch ungeeignet, wenn ein Anlandungskeil vor der Schwelle vermieden werden muss (z. B. wegen eines tiefliegenden seitlichen Kraftwerkeinlaufs), da sich die Beseitigung des Geschiebes nur mit zusätzlichen Einrichtungen (z. B. Kiesschleusen) durchführen lässt.

Beim Staubalkenwehr wird der für den Abfluss nicht benötigte Durchflussquerschnitt durch einen festen Staubalken aus Stahlbeton abgeschlossen, der sowohl über- als auch unterströmt wird. Der Betonkörper kann bei kleineren Abmessungen massiv ausgebildet werden. Bei größeren Anlagen bietet er Raum für einen Betriebsgang (Wehrgang) und für die Unterbringung der Antriebsaggregate (Abb. 13).
Abb. 13

Staubalkenwehr mit Drucksegement und Klappe

Die maßgeblichen Vorteile von Staubalkenwehren sind:
  • große Stauhöhen sind wirtschaftlich erreichbar durch einen hohen Anteil an Beton und relativ kleine Stahlverschlüsse,

  • günstige Auswirkung auf die (n-1)-Bedingung, da nur eine Öffnung angesetzt zu werden braucht und nicht das ganze Wehrfeld,

  • gute Energieumwandlung durch gleichzeitige Über- und Unterströmung des Staubalkens,

  • optisch ansprechend wirkender Überfallstrahl und günstiger Einfluss auf den Sauerstoffeintrag,

  • Geschiebeabzug durch die tiefliegenden Auslässe (Tiefablässe) möglich,

  • sicherer Winterbetrieb, da keine Vereisungsgefahr der Tiefablassverschlüsse.

Als Nachteil ist allenfalls die schlechte Zugänglichkeit der unteren Verschlüsse und Dichtungen zu nennen.

Als obere Verschlüsse verwendet man heute praktisch nur noch Klappen und bei den Tiefablässen Drucksegmente. Die Tiefablässe werden bei großen Öffnungsweiten durch Zwischenpfeiler unterteilt, um die Kräfte aus Wasserdruck auf die Verschlüsse zu begrenzen. Der Staubalken sollte strömungsgünstig ausgebildet werden um für beide Verschlüsse eine gute Anströmung zu gewährleisten (s. Abb. 13).

Schlauchwehre . Schlauchwehre bestehen aus Gummigewebematten. Die Aufwölbung der Gummimatten wird durch eine Wasserfüllung – seltener durch Luftfüllung – erreicht, deren Druck höher ist als der vom Oberwasser angreifende Wasserdruck (Abb. 14). Mit der Änderung des Innendrucks kann man den Oberwasserstand verändern oder bei Hochwasser den Abflussquerschnitt vergrößern. Schlauchwehre haben sich auch bei geschiebeführenden Flüssen und bei viel Geschwemmsel dank ihrer hohen Elastizität bewährt und bieten eine Alternative zu den konventionellen Wehrtypen, insbesondere zu Klappenwehren.
Abb. 14

Beispiel für ein luftgefülltes Schlauchwehr (Wehr Türkheim/Wertach, Blick von unterstrom)

Weitere Vorteile der Schlauchwehre sind die gute Einpassung in die Flusslandschaft und die verglichen mit Stahlkonstruktionen – deutlich niedrigeren Investitionskosten. Allerdings liegen noch keine Langzeiterfahrungen vor, insbesondere was die Haltbarkeit des Schlauchmaterials anbelangt, da Schlauchwehre erst seit etwa Mitte der 70er-Jahre gebaut werden.

Schlauchwehre eignen sich insbesondere an kleineren Flüssen bei geringen Stauhöhen. Es wurden aber auch schon Stauhöhen von über 3 m erreicht (Gries/Salzach 1992: Zwei Felder mit Schlauchhöhen von 3,50 m und Feldbreiten von je 19,50 m). Bei kleineren Stauhöhen wurden Längen von über 50 m erreicht. Es sind auch größere Längen realisierbar, jedoch steigt das Betriebsrisiko bei Revisionsarbeiten.

Schlauchwehre können auch mit Luft statt Wasser gefüllt werden, jedoch sprechen bei bestimmten Randbedingungen einige Gründe für die Befüllung mit Wasser:
  • Bei luftgefüllten Wehren muss wegen der Gefahr des Aufschwimmens infolge Auftriebs ein möglicher Einstau von Unterwasser ausgeschlossen werden.

  • Bei schräger Anströmung (z. B. Streichwehr) ergeben sich beim luftgefüllten Schlauch höhere Schwingungen an der Wehrkrone.

  • Der wassergefüllte Schlauch ist vom vollgefüllten bis zum liegenden Schlauch stufenlos regulierbar.

  • Beim luftgefüllten Schlauch bilden sich unterhalb von etwa zwei Drittel der Maximalhöhe V-förmige Einbuchtungen. Dies führt zu Abflusskonzentrationen in Teilbereichen des Wehres. Als Folge davon können lokale Auskolkungen im Unterwasser auftreten.

  • Bei dauernd überströmten Wehren (z. B. Kulturwehren) kann es bei Luftfüllung zu Schwingungen kommen, was zum Scheuern des Schlauches am Betonsockel führt und Abnutzungserscheinungen zur Folge hat. Grundsätzlich sollten Schlauchwehre nicht zur stufenförmigen Regelung des Abflusses benützt werden.

Tosbecken

An ein Wehr schließt immer ein Tosbecken an. Hier findet die Energieumwandlung statt (sog. Wechselsprung). Dabei wird die potenzielle und kinetische Energie des überfallenden Wassers durch heftige Verwirbelung in Schall- und (vornehmlich) Wärmeenergie umgewandelt.

Das Tosbecken wird vom Wehrkörper durch eine speziell ausgebildete Fuge getrennt (Abb. 15), die verhindert, dass der massive und schwere Staukörper aufgrund seiner stärkeren Setzungen tiefer zu liegen kommt als die Tosbeckenplatte und dadurch hydrodynamische Kräfte in der Fuge und unter der Tosbeckenplatte wirken. Selbstverständlich kann bei Gründung auf Fels auf diese aufwendige Fugenkonstruktion verzichtet werden. Der Übergang vom Wehrrücken zur Tosbeckenplatte sollte ausgerundet und die Fuge außerhalb der Ausrundung angeordnet werden.
Abb. 15

Angaben zur Tosbeckenbemessung

Tosbeckenbemessung: Damit ein Tosbecken hydraulisch wirksam ist, muss es in Bezug auf Eintiefung und Tosbeckenlänge dimensioniert werden. Nur dann ist eine ausreichende Energieumwandlung möglich und die anschließende Flusssohle vor Erosion geschützt. Grundlage der Bemessung ist die Ermittlung der Tiefe des Eingangsschussstrahles h1 in das Tosbecken (s. Abb. 15). Diese ergibt sich aus einem Vergleich der Energiehöhen vor dem Wehr (Abfluss im Strömen) und im Tosbecken (schießender Abfluss). Mit Hilfe einer iterativen Berechnung kann der Eingangsschussstrahl, der abhängig ist von der gewählten Tosbeckeneintiefung e, berechnet werden. Aus ihm lässt sich die Eingangs-Froudezahl Fr1 bestimmen zu
$$ {Fr}_1=\frac{v_1}{\sqrt{g\cdot {h}_1}} $$

(v1 Geschwindigkeit des Eingangsschussstrahles, g Fallbeschleunigung).

Eine gute Energieumwandlung findet bei Froudezahlen zwischen etwa 4,0 und 8,0 statt. Damit der Wechselsprung ausschließlich im Tosbecken stattfindet und nicht nach unterstrom abwandert, ist eine ausreichende Stützkraft von unterstrom erforderlich. Die Betrachtung des hydrodynamischen Gleichgewichtes ergibt eine zum Eingangsschussstrahl korrespondierende Fließtiefe von
$$ {h}_2=-\frac{h_1}{2}+\sqrt{\frac{h_1^2}{4}+\frac{2\cdot {v_1}^2\cdot {h}_1}{g}}. $$
Daraus lässt sich die erforderliche Mindestfließtiefe im Unterwasser, gerechnet von der Flusssohle, berechnen zu
$$ {h}_{u\, \mathit{\operatorname{erf}}}={h}_2-e. $$
Den Einstaugrad ε erhält man bei Ansatz der tatsächlichen Unterwasserfließtiefe hu zu
$$ \varepsilon =\left({h}_u+e\right)/{h}_2. $$
Dieser sollte größer sein als etwa 1,05, um ein Abwandern der Deckwalze nach unterstrom zu verhindern. Höhere Werte als 1,25 führen zu einem rückgestauten Wechselsprung, was die Energieumwandlung negativ beeinflusst. Die Tosbeckenlänge LT sollte etwa
$$ {L}_T=5\cdot \left({h}_2-{h}_1\right) $$

betragen.

Bei Einhaltung der Kriterien für die Froudezahl und den Einstaugrad sowie bei Anwendung der berechneten Länge, kann eine hinreichende Energieumwandlung innerhalb des Tosbeckens angenommen werden. In diesem Fall sind keine Einbauten in das Tosbecken erforderlich.

Zu beachten ist jedoch, dass die Dimensionierung nach den vorgenannten Kriterien nur für einen bestimmten konstanten Abfluss vorgenommen wird. Für alle anderen Abflüsse wäre die Energieumwandlung demnach nicht optimal. Um eine hydraulische Wirksamkeit auch bei einem erweiterten Abflussbereich zu erreichen, können Tosbeckeneinbauten wie Strahlteiler und Störkörper vorgesehen werden.

Das Tosbecken wird zur unterstromigen Flusssohle i. d. R. über eine Anrampung im letzten Tosbeckendrittel angehoben. Hierbei ist eine Endschwelle vorzusehen. Diese Endschwelle sowie die darauf aufgesetzte Zahnschwelle verringern den Strömungsangriff auf die Flusssohle unmittelbar hinter dem Tosbecken (s. Abb. 3).

Neuere Entwicklungen sind Muldentosbecken, die eine kürzere Bauform erlauben, allerdings tiefer in den Untergrund reichen. Ein Muldentosbecken sollte jedoch auf der Basis eines hydraulischen Modellversuchs geplant werden.

Kolkschutz

Der Abfluss hinter einem Tosbecken ist gekennzeichnet durch starke Turbulenzen, verbunden mit großen Sohlschubspannungen, welche die Flusssohle hinter dem Tosbecken angreifen und zu Kolkbildung führen können. Die Verteilung der Fließgeschwindigkeit über die Fließtiefe entspricht hier noch nicht der bei Normalabfluss mehrere hundert Meter unterhalb des Tosbeckens. Aus Stabilitätsgründen ist es daher erforderlich, den unmittelbaren Bereich hinter dem Tosbecken vor Erosion bzw. Auskolkung durch Wasserbausteine zu schützen (vgl. Abb. 3).

Wie weit der Kolkschutz nach unterstrom aufgebracht werden muss, hängt von der Beschaffenheit bzw. Stabilität der natürlichen Flusssohle ab. Bei schwierigen Verhältnissen empfiehlt sich der wasserbauliche Modellversuch. Für Vorentwürfe kann von einer Belegung der Sohle ausgegangen werden, die etwa der Tosbeckenlänge entspricht. An den Ufern ist wegen der stärkeren Turbulenzen der Kolkschutz ggf. zu verlängern. Die erforderliche Steingröße ist abhängig von der Fließgeschwindigkeit v in der Nähe der Flusssohle hinter dem Tosbecken. Erfahrungsgemäß ergeben sich Wasserbausteine der Klassen II bis IV (TLW 2003, DIN EN 13383-1). Häufig wird der Kolkschutz zweilagig ausgeführt. Die Steine sind möglichst auf einem filterfest ausgebildeten Untergrund zu verlegen, um ein Ausspülen von Feinmaterial infolge Sickerströmung unter dem Wehr zu verhindern. Gegebenenfalls ist ein Geotextil vorzusehen. Das unterstromige Ende des Kolkschutzes wird gegen Verrutschen und Abwandern gesichert, indem einzelne Steine im Flussbett (z. B. durch gerammte Eisenbahnschienen) fixiert werden.

Wehrwangen und Wehrpfeiler

Bei einem Wehrbauwerk spielt die hydraulisch günstige An- und Abströmung eine wesentliche Rolle. Im Oberwasser erreicht man dadurch eine optimale Leistungsfähigkeit des Wehres, und im Unterwasser reduziert man damit weitgehend einen Uferangriff durch das abströmende Wasser. Abb. 16 zeigt den Regelanschluss eines landseitigen Wehrfeldes an die Uferböschung. Eine besonders günstige Anströmung des Wehres wird erreicht, wenn sowohl die oberstromige als auch die unterstromige Wehrwange ausgerundet ist. Gute Ergebnisse werden erzielt, wenn die oberstromige Wehrwange als Viertelkreis, die unterstromige als Viertelellipse ausgebildet wird.
Abb. 16

Regelanschluss eines Wehres an das Flussufer

Der Radius des Viertelkreises ergibt sich aus der Höhe des Stauhaltungsdammes und der Neigung der Böschung. Bei der Konstruktion der Ellipse empfiehlt sich ein Verhältnis der Halbachsen zwischen etwa 1,5 und 2,0. Auf Grund der Verengung des Fließquerschnitts unmittelbar vor dem Wehr kommt es im Bereich der Uferanschlüsse zu Strömungswirbeln, die das Ufer angreifen. Daher ist dieser Bereich durch ein Steinpflaster und einen Betonkeil zu schützen. Die Wehrwangen werden zweckmäßigerweise als Winkelstützmauern ausgebildet. Bei beweglichen Verschlüssen ist beim geraden Mittelteil der Wehrwange darauf zu achten, dass keine Verschiebungen aus Erddruck oder Wasserdruck auftreten, weil sonst die Verschlüsse klemmen könnten.

Die Wehrpfeiler sind oberstromig auszurunden. In der Regel genügt es, einen Halbkreis zu wählen. Das Pfeilerende ist stumpf und schafft damit eindeutige Abrisskanten. Die Pfeilerrücken sind meist schräg, die Kopfseite senkrecht, wobei jedoch eine leichte Neigung zur Unterwasserseite hin empfehlenswert ist.

Die Breite der Wehrpfeiler hängt von den Aufgaben ab, die der Pfeiler zu erfüllen hat. Die Wehrpfeiler sind meist nicht massiv, sondern mit Kammern versehen, die Platz für Antriebsaggregate und Messeinrichtungen bieten. Als Faustformel für die Wahl der Breite kann in Abhängigkeit von der Wehrfeldbreite etwa
$$ {B}_{\mathrm{Pfeiler}}=\left(0,15\dots 0,30\right)\cdot {B}_{\mathrm{Feld}} $$

angesetzt werden, wobei das kleinere Maß bei Zug- und Drucksegmenten und das größere bei Schützen vorzusehen ist.

Ist neben dem Wehr ein Kraftwerk angeordnet, kann ein günstig geformter Trennpfeiler wesentlich dazu beitragen, dass die Turbinen möglichst gleichmäßig und verlustarm angeströmt werden. Dies zahlt sich mittelfristig durch höhere Energieausbeute aus. Vorteilhaft ist eine großzügige Ausrundung der kraftwerkseitigen Berandung des Pfeilers. Abb. 17 zeigt ein Beispiel mit Korbbögen. Für die wehrseitige Ausrundung ist ein Viertelkreis ausreichend.
Abb. 17

Wehrpfeiler (a) und Trennpfeiler (b)

Weitere Elemente an Wehren

Grundablass . Liegt die feste Wehrkrone deutlich über der Flusssohle, so ist ein Grundablass erforderlich, um den Stauraum bei Inspektionen und für Reparaturen ganz entleeren zu können, um Geschiebe und Schwebstoffe aus dem Staubereich zu entfernen (Kiesschleuse) und ggf. auch, um den Fluss während der Bauzeit umzuleiten.

Floß- oder Bootsgassen . Sie sind Gerinne mit einem Gefälle von etwa 1:100 bis 1:200, die nur bei Bedarf freigegeben werden oder von Bootsfahrern selbsttätig bedient werden können.

Fischaufstiegshilfen. Nur wenn Wanderfische eine Wehranlage nach oberstrom überwinden können, ist ein guter ökologischer Zustand von Fließgewässern und damit das Ziel der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie zu erreichen (DWA 2014). Dazu wurden früher häufig Fischaufstiegshilfen als einfache künstliche Gerinne von 0,75 bis 1,50 m Breite geschaffen, die mit Stufen oder Hindernissen bis zu 30 cm Höhe versehen waren und vom Wasser ständig durchströmt wurden. Heute bemüht man sich, der Natur nachempfundene Aufstiegshilfen zu realisieren, meist in Form von naturnah gestalteten Umleitungsgewässern, die einen ständigen Wasserstrom aus dem Oberwasser zum Unterwasser erlauben und damit die ökologische Durchgängigkeit des Flusses bewirken. Der unterwasserseitige Zugang (Einstieg) zu einem Fischpass oder einem Umleitungsgewässer sollte möglichst nah am Wehrbauwerk liegen und eine ausreichende Lockströmung aufweisen, damit Fische den Zugang finden können.

Es wird mittlerweile auch nicht mehr zwischen „naturnahen“ und „technischen“ Bautypen unterschieden. Für die Funktionsfähigkeit einer Aufstiegsanlage ist lediglich ihre Anordnung, Bemessung und Konstruktion entscheidend und nicht mehr wir früher Baumaterial und landschaftsästhetische Gesichtspunkte.

Im neuen Merkblatt der Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. (DWA 2014) werden Kriterien für die Umgestaltung von Quer- und Kreuzungsbauwerken aufgelistet. Fischaufstiegsanlagen sollen dabei an mindestens 300 Tagen im Jahr sowohl für die größten, als auch für die leistungsschwächsten Arten auffindbar und durchgängig sein. Neue Bemessungswerte im Merkblatt sollen künftig die Einhaltung dieser Grenzwerte erleichtern.

Fischabstiegshilfen. Aale, aber auch andere Fischarten, wollen zu bestimmten Zeiten flussabwärts wandern. Bis heute gibt es hierfür jedoch keine wissenschaftlich abgesicherten Anlagen, die zudem auch mit finanziell vertretbarem Aufwand hergestellt werden könnten.

Modernisierung und Sanierung von Wehranlagen

Da viele Wehrbauwerke inzwischen 60 bis 90 Jahre alt sind, gehören die Modernisierung und die Sanierung bestehender Wehranlagen zu den vorrangigen Aufgaben des konstruktiven Wasserbaus. Hinzu kommt, dass veränderte Bemessungsgrundlagen infolge neuer Erkenntnisse Eingang in die geltenden Normen und Richtlinien gefunden haben. Dementsprechend besteht Bedarf an einer Anpassung bestehender Wehranlagen an diese neuen Vorgaben (z. B. (n-1)-Regel).

Zu den wichtigsten Maßnahmen der baulichen und betrieblichen Modernisierung gehören:
  • Erhöhung der Abflussleistung durch Verbesserung der Anströmung und Optimierung des Überlaufprofils,

  • Verbesserung der Standsicherheit (gegen Gleiten) mit Hilfe von Verankerungen, Auflasten und Reduzierung des Sohlenwasserdrucks,

  • Abdichtungsmaßnahmen zur Verbesserung der Dichtheit des Wehrkörpers,

  • Ertüchtigungsmaßnahmen für das Tosbecken zur Verbesserung der Energieumwandlung,

  • Beseitigung und Verhinderung von Kolken nach dem Tosbecken,

  • Instandsetzung von Betonteilen durch Zementinjektionen oder Vorsatzbeton,

  • Erfüllung der (n-1)- oder (n-a)-Bedingung,

  • Automatisierung des Wehrbetriebs zur Verbesserung der Abfluss- und Stauzielregelung.

Oft sind die erforderlichen Maßnahmen so umfangreich, dass die Modernisierung in Umfang und Aufgabenstellung einem Neubau gleichkommt.

2.2 Talsperren

Eine Talsperre schließt ein Tal in seiner ganzen Breite ab und schafft damit einen Stauraum zur Wasserspeicherung. Sie besteht aus einem Absperrbauwerk und den zugehörigen Betriebsanlagen. Im Bereich der Stauwurzel sind gelegentlich Vorsperren vorhanden, die dann zur Talsperre gehören. Eine Vorsperre soll bei der Absenkung des Wasserspiegels in der Hauptsperre diesen im Stauwurzelbereich konstant halten, um den Belangen des Landschaftsbildes und der Naherholung Rechnung zu tragen (Abb. 18). Die wichtigste Norm für Talsperren ist DIN 19700 Teil 10 und 11. Daneben definiert auch DIN 4048 Teil 1 die wichtigsten Begriffe bzgl. der Speicherräume bei Talsperren (Abb. 19).
Abb. 18

Teile einer Talsperre

Abb. 19

Speicherräume und Stauziele bei Talsperren (nach DIN 4048 Teil 1). Siehe auch die erweiterten Bezeichnungen nach DIN 19700 Teil 11

Aufgaben und Auswirkungen von Talsperren

Aufgaben von Talsperren:
  • Hochwasserschutz,

  • Niedrigwassererhöhung,

  • Bewässerung,

  • Trinkwasserspeicherung,

  • Erzeugung von Wasserkraft,

  • Erholung.

Auswirkungen von Talsperren:
  • Unterbrechung des Fließkontinuums und damit der ökologischen Durchgängigkeit,

  • Veränderung der Fließverhältnisse eines Flusses mit Geschiebe- und Schwebstoffrückhalt,

  • Veränderung der Grundwasserverhältnisse,

  • Veränderung des Landschaftsbildes,

  • Veränderung der Region durch mögliche Sekundärnutzung (z. B. Tourismus),

  • Umsiedlung der Talbewohner.

Wahl des Absperrbauwerks

Das Absperrbauwerk einer Talsperre ist eine Staumauer oder ein Staudamm (in beiden Fällen engl.: dam). Staumauern werden heute aus Beton oder auch aus Walzbeton (Roller Compacted Concrete, RCC) gebaut (Strobl und Zunic 2006). Der Wasserdruck auf das Bauwerk wird entweder durch sein Eigengewicht (Gewichtsmauer) oder durch Pfeiler (Pfeilerstaumauer) auf die Talsohle übertragen oder über Bogenwirkung in die Talflanken geleitet (Bogenstaumauer).

Staudämme werden als Erd- oder Steinschüttdämme ausgeführt. Sie wirken statisch allein aufgrund ihres Gewichts und übertragen die aus dem Wasserdruck resultierenden Kräfte über Reibung in den Untergrund.

Die Art des gewählten Absperrbauwerks hängt im Wesentlichen von der Topografie und der Geologie am Standort der Sperre ab. So müssen Staumauern stets auf Fels gegründet werden, während Staudämme grundsätzlich auf jedem Untergrund gebaut werden können. Ein weiterer Gesichtspunkt bei der Wahl des Bauwerktyps kann die Verfügbarkeit geeigneten Dammschüttmaterials sein sowie das Vorhandensein brauchbarer Dichtungsstoffe bzw. Betonzuschlagstoffe.

Sowohl mit Mauern als auch mit Dämmen sind Sperrenhöhen von rund 300 m erreicht worden. Beispiele: Steinschüttdamm Nurek (Tadschikistan): 300 m; Gewichtsmauer Grand Dixence (Schweiz): 285 m; Bogenstaumauer Mauvoisin (Schweiz): 250 m.

Staudämme

Ein Staudamm wird aus natürlichem Material – das in der Nähe des gewählten Standortes der Sperre gewonnen werden kann – nach erdbautechnischen Grundsätzen gebaut. Staudämme lassen sich im weitesten Sinn in Erd- oder Steinschüttdämme unterteilen. Kleinere Staudämme können als homogene Dämme geschüttet werden; das übliche Konstruktionsprinzip besteht jedoch aus einer dichten Zone mit beidseitigen Stützkörpern.

Als Erdschüttdamm bezeichnet man ein Absperrbauwerk, wenn der verdichtete Boden mehr als die Hälfte des Gesamtvolumens beträgt. Querschnitte von üblichen Varianten des Erdschüttdammes sind Abb. 20 zu entnehmen.
Abb. 20

Verschiedene Typen von a Erd-/Steinschüttdämmen und b Steinschüttdämmen

Ein Steinschüttdamm enthält ein Dichtungselement aus natürlichen Erdstoffen oder künstlichen Materialien (Beton, Asphalt). Mindestens 50 % des restlichen Dammquerschnitts bestehen aus Kies oder Steinen zwischen 2 und 600 mm Korndurchmesser. Querschnitte üblicher Varianten des Steinschüttdammes sind in Abb. 20 dargestellt.

Die Vorteile eines Staudammes sind mannigfaltig. Weltweit wurden daher über 80 % der Talsperren als Steinschüttdämme gebaut. Die wichtigsten Eigenschaften können wie folgt zusammengefasst werden:
  • Staudämme können sowohl in weiten und engen als auch in steilen Tälern gebaut werden.

  • Staudämme lassen sich auf fast allen geologischen Gegebenheiten gründen.

  • Durch Verwendung von weitgehend natürlichen Baustoffen müssen nur wenige Fremdstoffe wie Zement zur Baustelle gebracht werden.

  • Der Entwurf kann sich den örtlich vorhandenen Gegebenheiten sehr gut anpassen und somit technisch wie preislich optimiert werden.

  • Die Herstellung des Staudammes ist mit einem hohen Mechanisierungsgrad möglich.

  • Die Einheitspreise bei Erd- und Steinschüttdämmen haben sich in der Vergangenheit viel weniger erhöht als die für Massenbeton.

Dämme mit einer Unterscheidung in Stützkörper und Dichtungsbereich nennt man Zonendämme. Bei dauerhaft eingestauten Speicherbecken sind sie die Regel. Bei Dämmen geringer Höhe (kleiner etwa 20 m) ist es gelegentlich wirtschaftlicher, einen homogenen Damm zu schütten. Hier besteht der gesamte Damm aus einheitlichem, wenig durchlässigem Schüttmaterial mit k = 10−6 m/s. Solche Dämme eignen sich besonders für zeitweise vorkommenden Einstau (z. B. bei HW-Rückhaltebecken) und Flussdeiche. Da diese Dämme während eines Einstaus durchströmt werden, muss im Bereich eines möglichen Wasseraustritts an der luftseitigen Dammböschung der Dammfuß besonders geschützt werden.

In Abb. 21 sind die wichtigsten Teile des Regelquerschnitts einer Dammkonstruktion angegeben. Übergangszonen zwischen dem Kern und den Stützkörpern sind erforderlich, wenn sich die Durchlässigkeit der verschiedenen Zonen um den Faktor 100 bis 1000 unterscheidet. Im Allgemeinen gelten bindige Erdstoffe (Kern) bis zu einem hydraulischen Gradienten i ≤ 5 als in sich erosionsstabil. Daher kann in begründeten Fällen von der Einhaltung der Filterregeln abgewichen werden. Jedoch muss die erforderliche Filterkapazität durch eine ausreichende Dicke der Filterschicht (≥ 2 m) sichergestellt sein. Weiterhin sollen Übergangszonen große Steifigkeitsunterschiede zwischen dem Kern (ES ≈ 15 MN/m2) und den Stützkörpern (ES ≥ 100 MN/m2) ausgleichen.
Abb. 21

Regelquerschnitt eines Dammes mit Alternative für Kontrollinjektionsgang

Gründung von Dämmen – Kontrollgang. Grundsätzlich können Dämme auch auf Lockergestein gegründet werden, nach Möglichkeit sollten jedoch stark setzungsempfindliche Schichten mit geringer Scherfestigkeit oder Verflüssigungseigenschaften ausgetauscht werden. Ist der Damm auf Fels gegründet, empfiehlt sich vor allem bei schwieriger Abdichtung des Fels ab einer Dammhöhe von 40 m als Übergangskonstruktion zwischen Dichtung und Felsuntergrund ein Kontrollgang. Dieser stellt die Verbindung zwischen dem Dichtungskern und der Untergrundabdichtung (z. B. Injektion) her und kann auch die Messinstrumente zur Dammüberwachung – v. a. für die Messung des Sickerwassers des Dichtungskerns – aufnehmen. Üblicherweise wird die Abdichtungsinjektion vom Kontrollgang aus nach einer Mindestüberschüttung durchgeführt. Darüber hinaus können von ihm aus eventuell nötige Nachinjektionen des Untergrunds vorgenommen werden. Aus Gründen des Bauablaufs kann es auch günstig sein, die Felsinjektion von einem bergmännisch aufgefahrenen Injektionsstollen auszuführen.

Ist der Felshorizont zu tief, muss der Bereich zwischen Dammaufstandsfläche und Fels – am zweckmäßigsten mit einer Schlitzwand – abgedichtet werden. Notwendige Felsinjektionen können von der Dammaufstandsfläche oder von einem Injektionsstollen ausgeführt werden. Nur in Ausnahmefällen wurden bisher Kontrollgänge auf Lockerboden gegründet. Große konstruktive Probleme müssen hierbei gelöst werden. Ist der Fels fräsbar, so können Überlagerungsboden und Fels in einem Arbeitsgang mit einer Schlitzwandfräse (bis etwa 100 m Tiefe) abgedichtet werden. Angaben zur Felsabdichtung sind (DWA 2016) zu entnehmen.

Standsicherheitsnachweise. Um die dauerhafte Stabilität eines Dammes zu gewährleisten, ist eine Reihe von statischen und hydraulischen Standsicherheitsnachweisen zu führen. Abb. 22 zeigt die Lage von kritischen Gleitkreisen, wie sie sich bei unterschiedlichen Randbedingungen ergeben können. Beim Entwurf eines Staudammes sollen jedoch auch die möglichen Verformungen der unterschiedlichen Konstruktionsteile abgeschätzt werden. Berechnungen nach der Methode der Finiten Elemente (FEM) sind hier v. a. zur Abschätzung des Einflusses verschiedener Annahmen für die Bodenkennwerte hilfreich. Hierdurch können Schwachstellen rechtzeitig erkannt werden.
Abb. 22

Lage der kritischen Gleitkörper in Abhängigkeit der Randbedingungen

Staumauern

Ist eine Gründung auf ausreichend tragfähigem Fels möglich (E-Modul > 3 MPa), sind Staumauern eine Alternative zu Dammbauwerken. Staumauern haben folgende Vorteile:
  • Bei extremen Hochwasserereignissen können sie ohne Gefahr für die Talsperre überströmt werden.

  • Möglicherweise entfallen die Kosten für eine separate HW-Entlastungsanlage, wenn die Entlastung über die Mauerkrone erfolgen kann.

  • Entnahmeleitungen können einfach durch die Mauer geführt werden.

  • Insbesondere Gewichtsstaumauern widerstehen Erdbeben ohne Schäden, die zum sofortigen Verlust der Standfestigkeit führen.

Im Wesentlichen unterscheidet man zwischen (Abb. 23)

Wahl des Mauertyps. Staumauern wurden traditionell aus Bruchstein oder Ziegel hergestellt. Heute verwendet man wegen der hohen Festigkeit, der Dichtigkeit und des möglichen schnellen Baufortschritts fast ausschließlich Beton.

Entscheidend bei der Wahl des Mauertyps ist neben der Geologie insbesondere die Talform (Tab. 1). Bei tief eingeschnittenen engen Tälern bevorzugt man wegen der geringen Betonkubatur Bogenstaumauern. Voraussetzung ist allerdings, dass die Talflanken in der Lage sind, die enormen Druckkräfte aus der Bogenwirkung aufzunehmen. Bei breiten Tälern ist eine Abgabe der Kräfte in die Talflanken nicht möglich. Hier werden Gewichtsstaumauern und Pfeilerstaumauern geplant. Kombinationen aus verschiedenen Mauertypen sind gelegentlich bei sehr breiten Tälern mit uneinheitlichem Querschnitt gebaut worden.
Tab. 1

Wahl des Staumauertyps in Abhängigkeit von der Talform

Staumauertyp

Voraussetzungen

 

topologisch

geologisch

Gewichtsstaumauer

Anwendungsgebiete: breite Täler

Open image in new window

tragfähige Talsohle aus Fels

Pfeilerstaumauer

sehr tragfähige Talsohle aus Fels mit gleichmäßig großem E-Modul

Bogenstaumauer

Anwendungsgebiete: enge U- oder V-Täler mit steilen Flanken

Open image in new window

gleichmäßig tragfähiger Fels mit hohem Verformungsmodul v. a. in den Talflanken

Bogengewichtsstaumauer

Bei Tälern mit etwa b/h <5

Open image in new window

tragfähige Talsohle und Talflanken

Gewichtsstaumauern. Wie im Fall der festen Wehre tragen Gewichtsstaumauern die Kräfte aus Wasserdruck durch ihr Gewicht in den Untergrund ab. Die äußere Form entspricht auch hier einem Grunddreieck, das bis zum Höchsten Stauziel reicht (vgl. Abb. 4).

Als Bemessungskriterium sollen bei einer Gewichtsstaumauer im Bereich der Gründung keine Zugspannungen auftreten. Das bedeutet, dass auch bei Vollstau und ggf. zu berücksichtigendem Sohlenwasserdruck der wasserseitige Mauerfuß noch überdrückt sein muss. Diese zwingende Forderung ergibt sich aus dem Sachverhalt, dass die auf der Wasserseite vorgenommene Abdichtung zwischen Mauer und Fels nicht aufreißen darf.

Als Konsequenz dieser Forderung ergeben sich die zulässigen luftseitigen Neigungen zu b/h = 0,85 bei vollem Sohlenwasserdruck und b/h = 0,67 bei Ansatz eines Injektionsschleiers und einer Abminderung des Sohlenwasserdrucks auf 20 % des Staudrucks.

Bei Gewichtsstaumauern werden Standsicherheitsnachweise mit dem sog. „Kragträgermodell“ oder mit einem kontinuumsmechanischen Modell durchgeführt. Zwar wird bei dem vereinfachten Nachweis mit dem Kragträgermodell die Beteiligung des Untergrunds am Tragverhalten nur ungenau erfasst, jedoch sind die nach der FEM ermittelten Spannungen und Verformungen von der Qualität der Eingabewerte zur Erfassung des Materialverhaltens abhängig. Eine ausführliche Zusammenstellung der Einwirkung (Lasten) und Lastfälle, der Widerlagerzustände und der Bemessungsfälle ist in DIN 19700 enthalten. Weitere Hinweise sind (DWA 2002) zu entnehmen.

Bogenstaumauern . Anders als Gewichtsmauern, die wie vertikale Scheiben die Kräfte in den Untergrund übertragen, wirken Bogenstaumauern wie horizontale Ringscheiben, welche die Druckkräfte in die Talflanken ableiten. Zu den ursprünglichen Formen zählen Zylinder- und Gleichwinkelmauern. Sie werden bei einfachen, annähernd symmetrischen Talformen realisiert.

Mit Hilfe moderner Rechenverfahren lassen sich heute auch komplexe Mauerformen statisch berechnen. Dadurch wird eine optimale Anpassung an die jeweilige Topografie sowie an das Tragverhalten des Untergrunds und der Talflanken erreicht. Das Ergebnis sind Bogenstaumauern, die auch in der Vertikalen gekrümmt sind und über die Höhe veränderliche Krümmungen aufweisen.

Kennzeichnendes Merkmal der Zylindermauer ist der gleichbleibende Radius über die Höhe, bezogen auf die Wasserseite der Mauer. Daraus ergibt sich wasserseitig eine senkrechte Wand. Wegen des nach unten zunehmenden Wasserdrucks vergrößert sich die Wanddicke linear mit der Wassertiefe.

Mit der für die Tragwirkung zugrunde liegenden Ringformel ergibt sich bei Minimierung der Querschnittsfläche ein optimaler Öffnungswinkel der Zylindermauer zu 133°. Ein leichtes Abweichen von diesem Optimalwert schlägt allerdings kaum zu Buche (bei 120° erhöht sich der Massenbedarf um 1 %), sodass Winkel zwischen etwa 120° und 140° anwendbar sind. Dies gibt eine gewisse Freiheit bei der Anpassung an die topografischen Gegebenheiten des Tales.

Bei der Gleichwinkelmauer bleibt der Winkel, unter dem die Druckkraft in die Talflanken eingetragen wird, annähernd konstant. Dies ist für die Tragwirkung der Mauer besonders günstig. Als Ergebnis der Konstruktion ergibt sich allerdings eine Mauer, die auch in der Vertikalen gekrümmt ist und daher einen hohen Schalungsaufwand erfordert. Günstige Öffnungswinkel liegen zwischen 100° und 130°.

Pfeilerstaumauer . Bezüglich der Lastabtragung entsprechen Pfeilerstaumauern Gewichtsstaumauern. Eine wasserseitige Stauwand stützt sich auf den Mauerpfeilern ab, welche die Kräfte in den Untergrund abtragen. Der besondere Vorteil dieser Konstruktion gegenüber den Gewichtsmauern liegt im reduzierten Betonbedarf, gleichzeitig erhöht sich jedoch der Schalungsaufwand erheblich. Zusätzlich muss die Stauwand sorgfältig abgedichtet werden, was bei unterschiedlichen Verformungen bzw. Verschiebungen der einzelnen Pfeiler Probleme bereiten kann.

Wegen der reduzierten Masse einer Pfeilerstaumauer im Vergleich zu einer massiv ausgeführten Gewichtsstaumauer wird die Stauwand zur Wasserseite hin geneigt ausgebildet. Dadurch kann die nun wirkende Wasserauflast einen Teil des fehlenden Eigengewichts der Mauer ersetzen. Hinzu kommt, dass der Sohlenwasserdruck unter der Mauer erheblich reduziert ist, weil er sich unmittelbar hinter der Stauwand entspannen kann. An die Dichtigkeit und Erosionsbeständigkeit des Felsuntergrundes müssen jedoch erhöhte Anforderungen gestellt werden.

Untergrundabdichtung

Der unmittelbare Felsbereich unter einem Absperrbauwerk ist i. Allg. klüftig und muss gegen Durchströmung abgedichtet werden. Dieser Aufwand lohnt sich i. d. R. immer, weil damit eine Verringerung der Sohlenwasserdrücke einhergeht, die eine Reduzierung des erforderlichen Mauerquerschnitts ermöglicht. Zudem werden die Wasserverluste aus dem Staubecken geringer.

Die erforderliche Tiefe der Abdichtung im Fels hängt von seiner Durchlässigkeit ab. Meist reichen Dichtungsschirme bis in eine Tiefe, die der jeweiligen Höhe der Staumauer über der Gründungssohle entspricht. Der Abdichtungsumfang wird anhand der Wasseraufnahmefähigkeit des Felsuntergrundes festgelegt. Dabei wird in ein mit einer Kernbohrung (Ø > 56 mm) hergestelltes Bohrloch auf eine Prüfstrecke zwischen 2,0 und 5,0 m Wasser mit einem Druck bis zu 10 bar eingepresst (WAP-Versuch). Der maximale Prüfdruck hängt dabei von dem zukünftigen Wasserdruck im Gebirge ab. Dabei empfiehlt sich ein Sicherheitszuschlag von 1,5 bis 2,0. Bezogen auf einen Druck von 10 bar und der Prüflänge von 1,0 m, entspricht eine Wasseraufnahme von 1 l/min der Einheit 1 Lugeon. Tab. 2 gibt Hilfestellung bei der Planung.
Tab. 2

Vorgeschlagene Abdichtung des Untergrunds (nach (Houlsby 1985))

 

Staumauern

Staudämme

Sonderfälle

Allgemeiner Fall

Gewichtsstaumauer

Schmaler Kern

Breiter Kern

Erosions gefährdeter Untergrund

Vermeidung messbarer Sickerwasserverluste im Untergrund

Bogenstaumauer

Erd-/Steinschüttdamm

Oberflächendichtung

Dichtungsschirm

einreihig

mehrreihig

einreihig

mehrreihig

einreihig

mehrreihig

einreihig

mehrreihig

ein- und mehrreihig

Abdichtungsstandard in Lugeon

3 … 5

5 … 7

3 … 7

5 … 10

5 … 10

7 … 15

3

4

1 … 3

Alternativ zur Injektion kann bei Abdichtungstiefen > 40 m auch der Einsatz einer Schlitzwandfräse erwogen werden.

Mess- und Kontrolleinrichtungen bei Talsperren

Eine Talsperre muss so geplant, gebaut und überwacht werden, dass ein Versagen nach menschlichem Ermessen auszuschließen ist. Der Überwachung einer Talsperre kommt daher zentrale Bedeutung zu. Zur Regelausstattung einer Talsperre gehören Messgeräte, die in den folgenden Tabellen angegeben sind, getrennt für Staudamm und Staumauer. In der Übersicht ist auch das erforderliche Messprogramm wiedergegeben. Tab. 3 gilt zusammen mit der zugehörigen Abb. 24 beispielhaft für Staudämme mit Erdkerndichtung mit einer Höhe bis zu 60 m und einer Kronenlänge bis 1000 m.
Tab. 3

Mindestausstattung mit Messprogramm bei Staudämmen bis 60 m Höhe und 1000 m Kronenlänge

Messgröße

Messmethode/Messgerät

Zahl der Messstellen

Häufigkeit der Messungen

 

visuelle Kontrolle

gesamte Stauanlage

wöchentlich

Setzungen/Verschiebungen

Nivellement auf der Dammkrone, Setzungspegel

je 3 auf jeder Kronenseite

jährlich (kontinuierlich während der Dammschüttung und des Probestaus)

Stauhöhe

Pegel

1

täglich (kontinuierlich)

Sickerwasser

Messgefäß, Messüberfall

3 Abschnitte (Talflanken und Talsohlen)

wöchentlich (kontinuierlich)

Porenwasserdruck

   

• im Damm

geschlossenes System

3 Messquerschnitte in

wöchentlich

• im Untergrund bei erosionsgefährdeten Böden

geschlossenes System

3 Messebenen mit je 3 Gebern

wöchentlich

Wasserspiegelhöhen

offenes System

 

wöchentlich

Niederschlag

Regenmesser

1

täglich

Abb. 24

Messprogramm bei einem Damm nach (DVWK 1991); siehe auch Nachfolgemerkblatt (DWA 2011)

Tab. 4 gibt zusammen mit Abb. 25 ein Ausstattungsbeispiel für das Messprogramm einer Gewichtsstaumauer mit 60 m Höhe oder einer Bogenstaumauer bis 100 m Höhe, jeweils bis zu einer Kronenlänge von 400 m. Weitere Einzelheiten sind (DWA-M 514) zu entnehmen.
Tab. 4

Mindestausstattung mit Messprogramm bei Gewichtsstaumauern und Bogenstaumauern H ≤ 60 m sowie bis 400 m Kronenlänge

Messgröße

Messmethode/Messgerät

Zahl der Messstellen

Häufigkeit der Messungen

 

visuelle Kontrolle

gesamte Stauanlage

wöchentlich

Verschiebungen

Gewichtslot und/oder Schwimmlot

mindestens 1

wöchentlich (kontinuierlich)

 

geodätische Messungen

  
 

• an Mauerluftseite:

mindestens 3 Messpunkte

1/2-jährlich

 

• an Krone:

mindestens 3 Messpunkte (jeweils Anbindung an ein von der Talsperre unbeeinflusstes System

1/2-jährlich

Differenzbewegungen an den Blockfugen

Tastuhren

an allen Blockfugen (nur bei Gewichtsstaumauem)

1/2-jährlich

Stauhöhe

Pegel

1

täglich (kontinuierlich)

Sickerwasser

Messgefäß, Messüberfall

3 Abschnitte

wöchentlich

  

(Talflanken und Talsohlen)

wöchentlich (kontinuierlich)

Sohlenwasserdruck

Piezometer, Manometer

3 Messquerschnitte mit je

5 Punkten

monatlich

Temperaturen

   

• Wasser:

Thermometer

3 verschiedene Wassertiefen

wöchentlich

• Luft:

Thermometer

1

täglich

• Bauwerk:

elektrische Thermoelemente

3 Messlinien mit 5 Punkten

monatlich in den ersten 3 bis 5 Jahren

Beschleunigung

Seismograph

1 (nur in Erdbebegebieten)

(kontinuierlich)

Niederschlag

Regenmesser

1

täglich

Abb. 25

Beispiel für die Regelausstattung von Staumauern mit Mess- und Kontrolleinrichtungen nach (DVWK 1991); siehe auch Nachfolgemerkblatt (DWA 2011)

Betriebseinrichtungen

Zu einer Talsperre gehören auch Nebenbauwerke, die der Nutzung und der Sicherheit der Anlage dienen. Entnahmeanlagen erlauben die gezielte Abgabe des gespeicherten Wassers und bei Bedarf die Entleerung des Betriebsraumes. Entlastungsanlagen führen den nicht speicherbaren Zufluss bei Hochwasser schadlos ab.

Entnahmeanlagen . Mit Hilfe von Betriebsauslässen wird das Wasser aus dem Speicherbecken für die jeweilige Nutzung (Trinkwasser, Energieerzeugung) entnommen. Die Entnahmebauwerke bestehen aus verschließbaren Einlaufkonstruktionen, die das Wasser in Druckstollen oder -leitungen einströmen lassen. Bei instabilen Hängen oder bei schwebstoffhaltigen Speicherzuflüssen mit Verlandungsgefahr haben sich besonders bei Trinkwassertalsperren Einlauftürme bewährt. Über den Rohwasserabzug aus unterschiedlichen Höhen lässt sich die Qualität des späteren Trinkwassers maßgeblich beeinflussen.

Mit dem Grundablass kann das Speicherbecken bis auf den sog. „Totraum“ entleert werden. Unter Beachtung der (n-1)-Regel lässt sich der Grundablass auch zur Ableitung von Hochwasser nutzen.

Entlastungsanlagen . Der nicht speicherbare Teil eines Hochwasserzuflusses muss schadlos abgeführt werden. Für Staudämme gilt der Grundsatz, dass sie ohne einen besonderen Schutz der Dammkrone und Böschung nicht überströmt werden dürfen, da der Damm sonst zerstört werden könnte. Bei Dämmen bedient man sich überwiegend Überlaufkonstruktionen, die an der Talflanke angeordnet sind, also eines Hangkanals mit anschließender Schussrinne und Tosbecken. Diese Anlagen verfügen über große Abflussreserven, da die Leistung des Überfalls bei zunehmendem Wasserstand überproportional steigt.

Eine Alternative sind Turmbauwerke im Stausee mit einem Einlauftrichter (Abb. 26). Der Abfluss mündet bei diesen Entlastungsanlagen in einem Freispiegelstollen, der bei Überlastung als Druckstollen wirkt und somit keine Abflussreserven hat. Aufgrund dieser Gegebenheit werden HW-Entlastungstürme nur bei Talsperren mit relativ kleinen und genau berechenbaren Hochwasserzuflüssen vorgesehen. Zusätzlich verfügen Trinkwassertalsperren meist über eine große Retentionswirkung.
Abb. 26

Einlaufbauwerk einer HW-Entlastungsanlage (Einlauftrichter)

Weiterhin sind Entlastungsanlagen direkt über dem Damm als Betongerinne und bei Stauhöhen bis 15 m als Raugerinne (Landschaftsgestaltung) möglich.

Bei Staumauern sind grundsätzlich die gleichen Konstruktionen wie bei Dämmen möglich. Allerdings bietet sich hier auch die Möglichkeit, das Hochwasser direkt über die Mauer zu leiten (Überfall) oder durch Öffnungen in der Mauer abzuführen (Druckabfluss). Bei Staumauern aus Walzbeton (RCC) werden meist Treppenschussrinnen (sog. stepped spillways) am Mauerrücken ausgebildet. Hier wird ein großer Teil der Energiehöhe bereits am Mauerrücken umgewandelt (Strobl und Zunic 2006).

3 Flussbau

Bis zu Beginn des 19. Jahrhunderts waren die Eingriffe des Menschen in das System Fluss-Tal nur kleinräumig und ohne nennenswerte Änderung des über viele Jahrtausende entstandenen Gleichgewichts. Mit der zunehmenden Bevölkerungsdichte und der stärkeren Nutzung der Flüsse als Transportweg gewannen die Flusstäler weiter an Bedeutung. Um diese Regionen zu besiedeln, wurden die meisten größeren Flüsse einer sog. „Correction“ unterzogen. Die vom Karlsruher Bauingenieur Johann Gottfried Tulla begonnene Regulierung des Oberrheins ist hierfür ein markantes Beispiel. In der Regel bedeuteten diese „Correctionen“ die Begradigung der stark mäandrierenden Flussläufe zugunsten von Landgewinnung und lokalem Hochwasserschutz. Der Wasserbauingenieur wirkte hier im Sinne der Daseinssicherung im Auftrag der Gesellschaft. Erkenntnisse über die großräumigen flussmorphologischen und ökologischen Zusammenhänge des Flusssystems, wie sie heute vorliegen, gab es damals noch nicht.

3.1 Zielsetzungen und Aufgaben des Flussbaus

Der heutige Flussbau unterscheidet sich wesentlich von diesen Anfängen neuzeitlicher wasserbaulicher Eingriffe in den Fluss. Die Erfahrungen der zurückliegenden Jahrzehnte zeigen, dass durch punktuelle Veränderungen einer Flusslandschaft zwar lokaler Nutzen entsteht, aber dem Flusssystem unterstrom der Maßnahmen nachhaltiger Schaden zugefügt werden kann.

Hochwasserschutz und die Verhinderung einer weiteren Eintiefung der Flüsse sind heute die Hauptaufgaben des Flussbaus. Daneben gilt es, die Funktion der Tallandschaft als Verbindung von Biotopen zu erhalten und zu verbessern. Weiter gibt es spezielle Aufgaben wie den Wildbachverbau oder den Ausbau von Flüssen zu Schifffahrtsstraßen. Zudem spielen Flüsse eine zunehmende Rolle bei Fragen der Naherholung, auf die der Wasserbauingenieur bautechnisch und gestalterisch Rücksicht nehmen muss.

Ein Flusslauf ist kein statisches Gebilde, das geometrisch und morphologisch unveränderlich bleibt. Eine Gleichgewichtslage kann sich jedoch nur einstellen, wenn die Abflussverhältnisse konstant bleiben und die Sohle dauerhaft gegen Erosion geschützt ist. Im Regelfall trifft beides nicht zu. Daher gibt es eine Reihe von Situationen, die flussbauliche Maßnahmen begründen:
  • Der Fluss ufert bei Hochwasser aus und überschwemmt Wohngebiete.

  • Aufgrund zu hoher Schleppspannung erodiert die Flusssohle, das Flussbett tieft sich ein, und der Grundwasserspiegel sinkt.

  • Wegen mangelndem Transportvermögen des Flusses landet das Flussbett auf und die Überschwemmungsgefahr nimmt zu.

  • Fortschreitende Uferanbrüche in Krümmungen bedrohen Siedlungen oder Verkehrswege in ihrem Bestand.

Im weiteren Sinne können flussbauliche Maßnahmen nötig werden, wenn nach Ausbau eines Flusses (Wehre, Wasserkraftwerke, Schifffahrtsstraßen usw.) das bisher zufriedenstellend stabile Regime des Flusses gestört wird.

Um die richtigen Maßnahmen zu treffen und die Eingriffe am Fluss nicht nur als „Zähmung des Flusses mit baulichen Maßnahmen“ zu verstehen, sollen im Folgenden die wesentlichen Berechnungsgrundlagen zusammengefasst werden. Dabei muss die Stabilität des Flussbettes bei Hochwasser v. a. in Siedlungsgebieten und in der Nähe von Verkehrswegen sichergestellt werden.

EU-WRRL: Auf Drängen des Europäischen Parlaments und der EU-Mitgliedstaaten ist im Dezember 2000 die Europäische Wasserrahmenrichtlinie (kurz WRRL) in Kraft getreten (Europäische Kommission 2002). Die Wasserrahmenrichtlinie ersetzt eine Vielzahl von Einzelrichtlinien zum Gewässerschutz und ist mittlerweile von den europäischen Mitgliedsstaaten in das jeweilige Landesrecht aufgenommen worden. In Deutschland mussten hierzu das Wasserhaushaltsgesetz und die Wassergesetze der Bundesländer novelliert werden.

In der Wasserrahmenrichtlinie ist insbesondere ein Verschlechterungsverbot für alle Oberflächengewässer und das Grundwasser festgelegt worden. Darüber hinaus wird, – wo möglich – ein Verbesserungsgebot gefordert. Demnach soll für alle europäischen Gewässer ein „guter Zustand“ bzw. bei stark veränderten Gewässern ein „gutes ökologisches Potenzial“ erreicht werden. Damit soll in der Zukunft europaweit eine nachhaltige Wassernutzung gewährleistet werden. Die ursprünglichen Ziele der WWRL sind ausführlich bei (Strobl und Zunic 2006) beschrieben.

3.2 Flussmorphologie

Ein Flusslauf verändert seine Gestalt von der Quelle bis zur Mündung. Gewöhnlich kann ein Fluss in vier Bereiche unterteilt werden (Abb. 27):
  • Der Oberlauf eines Flusses beginnt im Gebirge. Er hat einen engen Talboden und wird von kleinen Nebenflüssen gespeist. Das Fließgefälle ist groß (J > 1 %) und stark wechselnd, daher erodiert die Sohle, und der Fluss befördert Steine und Felsbrocken. Über lange Zeiträume betrachtet befindet sich der Oberlauf eines Flusses in einer Phase der Eintiefung.

  • Im Mittellauf verbreitert sich der Talboden, und das Gefälle wird geringer (1 ‰ < J <1 %). Der Flusslauf ist gestreckter als im Oberlauf, dadurch kann der Fluss sein Bett zur Seite ausdehnen. Es münden weniger Nebenflüsse ein; sie führen aber mitunter hohe Abflüsse. Im Mittellauf transportiert der Fluss Kies und Sand. Bei ausgeglichenen und ungestörten Verhältnissen findet kaum Erosion und Auflandung statt.

  • Der Unterlauf eines Flusses ist geprägt durch ein breites Tal. Der Fluss hat ein geringes Gefälle (J < 1 ‰), und sein Querschnitt ist breit. Er mäandriert in weiten Windungen und beansprucht bei Hochwasser weite Teile des Talraumes. Die Flusssohle ist von Sand und Schluff bedeckt.

  • Im Mündungsgebiet wird das Fließgefälle so klein, dass selbst Feinstteile nicht mehr transportiert werden können. Es findet eine ständige Auflandung statt, i. d. R. verbunden mit der Bildung eines Flussdeltas, das sich allmählich als Schwemmland in das Meer vorschiebt.
    Abb. 27

    Entwicklung eines Flusslaufes in Querschnitt, Längsschnitt und Grundriss von der Quelle bis zur Mündung

Diese allgemeine Einteilung gilt für lange Flüsse, die im Gebirge entspringen und einem See oder Meer zufließen. Die Mehrzahl der Flüsse erreicht allerdings keinen See, sondern mündet in einen größeren Hauptfluss. Auf diese Nebenflüsse ist die geschilderte morphologische Einteilung nur beschränkt anwendbar.

3.3 Flusslauf im Grundriss

Fließendes Wasser bewegt sich – den physikalischen Gesetzen der Erdanziehung folgend – stets den tieferliegenden Gebieten eines Tales zu. Der so entstehende Flusslauf ist jedoch keineswegs eine gerade Linie; vielmehr bewirken geomorphologische Unregelmäßigkeiten, dass sich die Strömung diesen äußeren Randbedingungen anpasst und den Widerständen ausweicht. Gleichzeitig gestaltet ein Fluss durch seine Schleppkraft und infolge der Trägheitskräfte in Krümmungen das Aussehen eines Tales maßgeblich mit. Aufgrund dieses Wechselspiels entsteht in der Natur nur selten ein gestreckter Flusslauf. Stattdessen wechselt ein Fluss häufig seine Richtung und bildet Windungen und Flussschleifen aus.

Selbst ein Fluss, der durch technische Maßnahmen in ein gerades Bett gezwungen wird, entwickelt bei beweglicher Sohle nach einer Weile diese mäandrierende Bewegung innerhalb des ihm zur Verfügung stehenden Raumes. Dabei wirft er Sand- und Kiesbänke auf, die abwechselnd an den Flussufern abgelagert werden (Abb. 28). Vielfach kann man in begradigten Ausleitungsstrecken diese Entwicklung vom „Fluss im Fluss“ beobachten.
Abb. 28

Mäandrierender Fluss im Naturzustand und in einem begradigten Flussbett

3.4 Flusssohle

Die Sohle eines Flusses ist im Allgemeinen beweglich, da der Untergrund aus Ablagerungen von Sedimenten und Lockergestein (Alluvionen) besteht. Abhängig von der Beanspruchung der Sohle durch das strömende Wasser, gibt es mehrere mögliche Zustände der Flusssohle:
  • Gleichgewichtszustand. Die Sohle des Flusses befindet sich bezüglich des Geschiebetransports in einem Gleichgewicht. Das von oberstrom mitgeführte Geschiebe entspricht der Menge, die nach unterstrom weitertransportiert werden kann. Die Geschiebebilanz ist ausgeglichen, und die Sohle bleibt in einer stabilen Höhenlage.

  • Erosionszustand. Wird aus einem Gewässerabschnitt mehr Geschiebe abtransportiert als von oberstrom nachgeführt wird, ist der Fluss in einer Erosionsphase. Die Sohle sinkt allmählich ab. Ein Geschiebedefizit stellt sich häufig ein, wenn oberstromige Flusssperren das ankommende Geschiebe zurückhalten.

  • Auflandungszustand. Im umgekehrten Fall, wenn der Fluss viel Geschiebe mit sich führt, dieses aber nicht weiterbewegen kann, ist der Fluss im Auflandungszustand, und die Sohle hebt sich an. Gründe für einen verringerten Geschiebetrieb können eine Abnahme des Fließgefälles und/oder eine Verbreiterung des Flussbettes sein.

  • Beim geschiebetriebfreien Zustand ist die Schleppspannung so klein, dass kein Geschiebetrieb einsetzen kann. Die Sohle bleibt dauerhaft in ihrer ursprünglichen Lage.

Alle genannten Zustände hängen sehr vom jeweiligen Abfluss im Flussbett ab. Der Wechsel zwischen Hochwasser- und Niedrigwasserzeiten vermag den jeweiligen Zustand in einen anderen überzuführen. Von einem Geschiebegleichgewicht kann daher selbst bei ausgewogener Geschiebebilanz nur gesprochen werden, wenn man größere Zeiträume von mehreren Jahren betrachtet.

3.5 Ermittlung des Geschiebetriebes und der Geschiebefracht

Für die Planung flussbaulicher Maßnahmen ist eine möglichst genaue Kenntnis über den Geschiebetransport an einem Fluss nötig. Hierbei sind sowohl Einzelereignisse von Bedeutung (z. B. Hochwasser) als auch längerfristige Aussagen über die Entwicklung der Sohle. Als geeignetes Maß zur langfristigen Beurteilung der Geschiebebilanz eignet sich die Jahresgeschiebefracht. Um diese zu ermitteln, werden in einem Koaxialdiagramm folgende Kurven eingezeichnet (Abb. 29):
  • Die Überschreitungsdauerlinie der Abflüsse gibt an, an wie vielen Tagen ein bestimmter Abfluss erreicht oder überschritten wird.

  • Die Abflusskurve beschreibt den Zusammenhang zwischen dem Abfluss Q (in m3/s) und der zugehörigen resultierenden Fließtiefe h (in m).

  • Die Geschiebefunktion gibt an, welche Geschiebemenge G (in kg/s) beim jeweiligen Wasserstand h von der Strömung transportiert werden kann.

  • Aus diesen Angaben lässt sich die Überschreitungsdauerlinie des Geschiebetransports gewinnen. Aus ihr erhält man durch Integration über die Zeit die Jahresgeschiebefracht.
    Abb. 29

    Koaxialdiagramm zur Ermittlung der Jahresgeschiebefracht

Für die Herleitung der Geschiebefunktion ist die Kenntnis der Schleppspannung nötig, die von der Strömung auf die Sohle ausgeübt wird. Bei Ansatz des Kräftegleichgewichts an einem endlichen Flussabschnitt ergibt sich die theoretische Schleppspannung τw (in N/m2) zu
$$ {\tau}_w=\rho \cdot g\cdot R\cdot J $$
mit den variablen Größen
R

hydraulischer Radius (in m) – bei breiten Flüssen R ≈ h,

J

Fließgefälle (= Sohlgefälle),und den konstanten Werten

ρ

Dichte von Wasser (in kg/m3),

g

Fallbeschleunigung (in m/s2).

Diese theoretische Formel zur Ermittlung der Schleppspannung wurde von zahlreichen Autoren praktischen Situationen angepasst. Sehr verbreitet ist die Modifikation von Meyer-Peter und Müller, die bei ihrem Ansatz berücksichtigen, dass i. d. R. nur ein Teil der Sohle beweglich ist (z. B. bei befestigten Ufern). Damit ergibt sich die wirksame Schleppspannung zu
$$ {\tau}_{\mathrm{w}}=\rho \cdot g\cdot {R}_S{\left({\mathrm{k}}_{St}/{k}_r\right)}^{3/2}. $$
Darin ist RS der hydraulische Radius, diesmal aber bezogen auf den beweglichen Teil der Sohle. Es gilt RS =AS/bS, wobei der wirksame Abflussquerschnitt AS nach Abb. 30 mit Hilfe der Isotachen (Linien gleicher Geschwindigkeiten) ermittelt werden kann. Die Breite der beweglichen Sohle ist bS. Für die Kornrauheit kr setzt Müller
$$ {k}_r=26/{d_m}^{1/6}\left(\mathrm{in}\, {\mathrm{m}}^{1/3}/\mathrm{s}\right). $$
Abb. 30

Ermittlung des wirksamen Abflussquerschnitts AS mit Hilfe der Isotachen

Analog kann der Strickler-Beiwert gesetzt werden zu
$$ {k}_{St}=21/{d_m}^{1/6}, $$
es sei denn, genauere Werte stehen aus Wasserspiegelfixierungen zur Verfügung. In diesen beiden empirischen Formeln wird der maßgebende mittlere Korndurchmesser der Sohle dm in m eingesetzt. Ist eine durchgehende Deckschicht über der Flusssohle ausgebildet, wird deren mittlerer Korndurchmesser angesetzt (Abb. 31).
Abb. 31

Sieblinie der Deckschicht und der Unterschicht am Beispiel der Unteren Isar

Eine möglichst genaue Kenntnis der Flusssohle ist für die Beurteilung der Geschiebetätigkeit eines Flusses von größter Bedeutung. Daher ist es bei Projektierungsmaßnahmen unverzichtbar, an mehreren Stellen des Flusses Geschiebeproben der Unterschicht sowie der Deckschicht zu entnehmen und Siebanalysen durchzuführen.

Ist die wirksame Schleppspannung der Strömung bekannt, muss sie der kritischen Schleppspannung tc gegenübergestellt werden. Diese ist eine Sohlschubspannung und muss erst überwunden werden, bevor sich Geschiebetrieb entwickeln kann. Die Differenz zwischen wirksamer Schleppspannung und kritischer Sohlschubspannung steht dem Geschiebetrieb zur Verfügung. Meyer-Peter bzw. Müller haben aus zahlreichen Versuchen folgenden Zusammenhang entwickelt:
$$ {\displaystyle \begin{array}{l}\rho \cdot g\cdot {R}_S\cdot {\left({k}_{St}/{k}_r\right)}^{3/2}\cdot J=A\cdot \left({\rho}_S-\rho \right)\cdot g\cdot {d}_m+\\ {}B\cdot {\rho}^{1/3}\cdot {g}^{2/3}\cdot {g_S^{{\prime\prime}}}^{2/3}\end{array}} $$
bzw.
$$ {\tau}_w={\tau}_c+{\tau}_g $$
Neben den bereits erwähnten Größen bedeuten
ρS

Dichte des Geschiebes (in kg/m3),

\( {g}_S^{{\prime\prime} } \)

Geschiebetrieb, unter Wasser gewogen (in kg/(m · s)),

A″, B″

Beiwerte aus Versuchen.

Meyer-Peter und Müller fanden für B″ einen konstanten Wert von 0,25. Der Beiwert A″ ist gleich 0,047 bei entwickeltem Geschiebetrieb und 0,03 bei absoluter Ruhe der Sohle. Daraus können drei Bereiche für den Geschiebetrieb unterschieden werden:
  • Sohle befindet sich in absoluter Ruhe, wenn τw/(ρS−ρ)·g·dm < 0,03.

  • Sohle beginnt sich zu bewegen, wenn 0,03 < τw/(ρS−ρ)·g·dm < 0,047.

  • Geschiebetransport ist voll entwickelt, wenn τw/(ρS−ρ)·g·dm > 0,047.

3.6 Flussbauliche Maßnahmen

Eine der wichtigsten flussbaulichen Maßnahmen ist die Flussregelung durch Buhnen und Leitwerke. Buhnen sind Querbauwerke, die vom Ufer aus senkrecht oder leicht schräg in den Fluss ragen, somit den Abflussquerschnitt einschnüren und damit im verbleibenden Strömungsquerschnitt die Fließtiefe und -geschwindigkeit erhöhen. Sie dienen heute vorwiegend als Bauwerke zur Niedrigwasserregulierung an Wasserstraßen, um für die Schifffahrt die Fahrwassertiefe zu verbessern.

Leitwerke dienen demselben Zweck wie Buhnen, sind jedoch Längsbauwerke, die parallel zum Ufer eingebaut sind. Aus ökologischen Gründen sind Buhnen zu bevorzugen, da die Totwasserzone hinter einem Leitwerk bei Niedrigwasser nicht durchflossen wird. Allerdings heben Buhnen bei Hochwasser den Wasserspiegel im Vergleich zum ursprünglichen Zustand an.

Buhnen und Leitwerke bestehen aus massiven Steinschüttungen, um auch bei Überflutung im Hochwasserfall eine stabile Lage zu bewahren. Auf die Standfestigkeit der Buhnen ist besonders zu achten; Nachversteinungen sind meist erforderlich. Der Abstand der Buhnen beträgt erfahrungsgemäß zwischen der halben und zweifachen Flussbreite.

In den Feldern zwischen den Buhnen bildet sich eine Rückströmung aus (Kehrwasser), wodurch diese Bereiche allmählich verlanden. Dies ist durchaus erwünscht, weil dadurch zum einen die Ufer des Flusses vor Erosion und Einbrüchen geschützt werden können, zum anderen, weil diese Zonen wertvolle ökologische Bereiche darstellen.

Zur Verhinderung weiterer Eintiefungen des Flusses sind folgende Maßnahmen denkbar:
  • Sohlrampen aus Wasserbausteinen mit konzentrierter Energieumwandlung zur Reduzierung des Sohlgefälles;

  • ökologisch vertretbarer Aufstau des Flusses durch Wehranlagen zur Reduzierung der Fließgeschwindigkeit;

  • in Ausnahmefällen Geschiebezugabe zur Erhöhung der Sohlschubfestigkeit des vorhandenen Flussbettes; Beispiele hierfür sind der Rhein bei Iffezheim und die Donau bei Wien mit jeweils 150.000 m3 Kies pro Jahr, der unter günstigen Bedingungen gewonnen und verklappt werden kann;

  • offenes Deckwerk, eine neue Entwicklung, gekennzeichnet durch die Belegung der Flusssohle mit Wasserbausteinen der Klasse II bis III, die eine Fläche von etwa 30 % bis 50 % der Flusssohle bedecken (Hartlieb 1999).

4 Wasserkraftanlagen

Wasserkraft ist eine ideale Kombination aus Solar- und Windenergie: Die Sonne lässt das Wasser verdampfen, es bilden sich Wolken, die vom Wind landeinwärts getrieben werden und an den Berghängen abregnen. In den so entstehenden Bächen und Flüssen ist diese regenerative Wasserkraft konzentriert gespeichert.

Wasserkraftanlagen dienen schon seit Jahrtausenden der umweltverträglichen Energieerzeugung. Die potenzielle Energie herabfallenden Wassers und die kinetische Energie des Wasserstromes von Bächen und Flüssen wurden zunächst direkt in mechanische Arbeit umgewandelt. Zum Antrieb von Mühlrädern und in Hammerschmieden verwendete man sehr früh das Stoßrad, später unter- und oberschlächtige Wasserräder.

Die Erfindung von Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie führte im 19. Jahrhundert zur Entwicklung von unterschiedlichen Wasserturbinen. Damit war es möglich, die mechanische Arbeit des Wasserstromes an der Turbine in elektrischen Strom umzuwandeln und diese Energie über Hochspannungsleitungen an vom Fluss entfernte Orte mit Strombedarf zu leiten (1891 vom Kraftwerk Laufen mit einer 175 km langen Leitung nach Frankfurt/Main).

Heute dienen Wasserkraftanlagen fast ausschließlich der Erzeugung elektrischer Energie. In Deutschland werden gegenwärtig 3 % des Strombedarfs aus Wasserkraft gewonnen. Im wasserreichen Bayern sind es rund 15 % und in den Alpenländern Österreich und Schweiz sogar etwa 60 %.

Von besonderem wirtschaftlichen aber auch ökologischen Interesse ist, dass Wasserkraftanlagen einen im Vergleich mit anderen Stromerzeugern unerreicht hohen Erntefaktor (EF > 50) aufweisen. Der Erntefaktor ist das Verhältnis zwischen erzeugbarer elektrischer Arbeit und der für Bau und Betrieb investierten Energie. Hinzu kommt, dass die Stromerzeugung CO2-frei ist.

4.1 Ausbauleistung und Energieermittlung

Die Energieausbeute einer Wasserkraftanlage hängt im Wesentlichen vom Zufluss Q und der Nettofallhöhe Hn ab. Die zur Verfügung stehende Energie des Wasserstromes ρ·Q mit dem Potenzial g·Hn wird an einer Turbine in Drehleistung umgewandelt. Die Leistung P einer Turbine entspricht dem Drehmoment Md, multipliziert mit der Winkelgeschwindigkeit ω der sich drehenden Turbine.
$$ P={M}_d\cdot \omega \, \left(\mathrm{in}\, \mathrm{Nm}/\mathrm{s}\right) $$
oder
$$ P=\eta \cdot \rho \cdot Q\cdot g\cdot {H}_n\left(\mathrm{in}\, \mathrm{kW}\right) $$
mit
η

Wirkungsgrad der Wasserkraftanlage,

ρ

Dichte des Wassers (in t/m3),

g

Fallbeschleunigung (in m/s2),

Q

Wasserstrom (in m3/s),

Hn

Nettofallhöhe (in m).

Der Unterschied zwischen der geodätisch vorhandenen Rohfallhöhe und der zur Energieerzeugung nutzbaren Nettofallhöhe Hn berücksichtigt bei Hochdruckanlagen die Reibungs- und Krümmungsverluste in den Triebwasserleitungen sowie die Einlaufverluste an der Triebwasserfassung. Bei modernen Anlagen liegt der Anlagenwirkungsgrad, der Verluste zwischen Turbineneinlauf und -auslauf einschließt, zwischen 0,80 und 0,85. Damit ergibt sich für eine Abschätzung der erzielbaren Leistung P die nicht dimensionsreine Beziehung
$$ P\approx 8\cdot Q\cdot {H}_n\left(\mathrm{in}\, \mathrm{kW}\right). $$

Diese Ausbauleistung ist die maximale elektrische Leistung eines Kraftwerks und wird nur beim Ausbauzufluss Qa erreicht. Wegen naturbedingter Abflussschwankungen steht dieser Zufluss allerdings nicht kontinuierlich zur Verfügung. Wasserkraftanlagen an mitteleuropäischen Flüssen erreichen oder überschreiten den gewählten Ausbauzufluss nur an etwa 30 bis 60 Tagen im Jahr.

Zur Beurteilung der mittleren jährlichen Energieausbeute (Regelarbeitsvermögen) muss die mittlere Unterschreitungsdauerlinie des Zuflusses bekannt sein. Aus dieser und aus weiteren Kennkurven kann die Leistungsdauerlinie über ein Jahr aufgestellt werden (Abb. 32).
Abb. 32

Leistungsplan einer Niederdruck-Wasserkraftanlage

Die gegenwärtig leistungsstärkste Wasserkraftanlage der Erde ist die chinesische Anlage Three Gorges am Jangtsekiang mit einer ursprünglichen Ausbauleistung von 18.200 MW (bei Inbetriebnahme bis zur Erweiterung im Jahre 2011, Tab. 5) und einer durchschnittlichen elektrischen Leistung von 9500 MW. Ihre 26 Turbinen besaßen bis 2011 ein Regelarbeitsvermögen von rund 84 Mio kWh. Übertroffen wurde die jährliche Stromproduktion seinerzeit nur noch von der Wasserkraftanlage Itaipu Binacional am Rio Paraná an der Grenze zwischen Brasilien und Paraguay. Diese Anlage konnte aufgrund gleichmäßiger Zuflüsse jährlich etwa 10 % mehr Strom produzieren (in 2008: 94,68 Mio kWh). Die gesamte Stromproduktion beider Anlagen zusammen entspricht der Energieerzeugung von mehr als 20 Reaktorblöcken moderner Kernkraftwerke.
Tab. 5

Beispiele für die Ausbauleistung einiger Wasserkraftanlagen

Kraftwerk

Inbetriebnahme

Land

Leistung in MW

Three Gorges

Itaipu

2008

1983

China

Brasilien/Paraguay

18.200 (22.500 MW seit 2012)

12.600 (14.000 MW seit 2005)

Grand Coulee

1942

USA

6494

Sajan

1978

Russland

6400

La Grande 2

1979

Kanada

5328

Tarbela

1977

Pakistan

3046

Gezhouba

1980

China

2715

Nurek

1976

Tadschikistan

2700

Mica

1976

Kanada

2600

Cabora Bassa

1977

Mocambique

2425

Atatürk

1992

Türkei

2400

4.2 Nieder- und Hochdruckanlagen

Verfügen Kraftwerke über eine Fallhöhe von 50 m und mehr, spricht man von „Hochdruckanlagen“. Flusskraftwerke haben i. d. R. kleinere Fallhöhen und sind Niederdruckanlagen.

Niederdruckanlagen

An Flüssen werden Flusskraftwerke (Wasserkraftanlagen) immer in Verbindung mit Wehren gebaut. Das Wehr staut den Fluss auf die gewünschte Höhe (Stauziel) und bewirkt dadurch den für die Energieerzeugung nutzbaren Unterschied zwischen Ober- und Unterwasser. Das Wehr führt darüber hinaus auch Hochwasser ab.

Die Flusssohle im Unterwasser des Kraftwerks wird ausgebaggert und dadurch tiefer gelegt. Damit erreicht man eine Erhöhung der Fallhöhe und stellt gleichzeitig sicher, dass auch in Zeiten niedriger Wasserführung der Auslauf des Kraftwerks stets eingestaut bleibt. Dies ist aus betrieblichen Gründen unabdingbar.

Die Anordnung eines Kraftwerks im Fluss unterscheidet sich in Bezug auf die Lage des Kraftwerks zum Wehr (Abb. 33):
  • Bei der Blockbauweise (a) werden Kraftwerk und Wehr nebeneinander in getrennten Baukörpern angeordnet. Zwischen Wehr und Kraftwerk sorgt der Wehrpfeiler für eine hydraulisch günstige Anströmung des Kraftwerks. Ist die erforderliche Breite des Absperrbauwerks (Kraftwerk und Wehr) größer als die Flussbreite, wird das Kraftwerk in einer Bucht des aufgeweiteten Flusses angeordnet. Bei ausreichend langer Verziehung stört dies die Anströmung des Kraftwerks kaum, ermöglicht aber bei Hochwasser einen ungestörten Abfluss über das Wehr (Abb. 34).

  • Zweiseitige Kraftwerke (b) werden gelegentlich an Grenzflüssen zwischen zwei Ländern gebaut. Jeder Betreiber hat seine Kraftanlage am eigenen Ufer; das Wehr ist ein bilaterales Projekt.

  • Seltener sind Inselkraftwerke (c), weil die Zugänglichkeit zum Kraftwerk erschwert ist. Findet man in Ausnahmefällen in Flussmitte besonders günstige geologische Verhältnisse für die Gründung des im Vergleich zum Wehr massiveren Kraftwerkblocks, mag diese Lösung wirtschaftlicher sein als die Blockbauweise.

  • Eine besonders interessante Bauform stellen Pfeilerkraftwerke (d) dar. Hier sind die Wehrpfeiler zu einzelnen breiten Kraftwerkblöcken ausgebaut, in denen je ein Maschinensatz (Turbine und Generator) untergebracht ist.

  • Bei überströmbaren Kraftwerken (e) fehlen Aufbauten; sie können daher sehr gut in die Flusslandschaft eingegliedert werden. Im Hochwasserfall ist die gesamte Anlage überströmt.
    Abb. 33

    Anordnung von Wasserkraftanlagen im Fluss

    Abb. 34

    Beispiel für die Blockbauweise (Staustufe Vohburg/Donau; Foto: Uniper Kraftwerke GmbH)

Umleitungskraftwerk . Bei ihm sind Wehr und Kraftwerk oft viele Kilometer voneinander getrennt (Abb. 35). Das Kraftwerk wird außerhalb des Flusses errichtet, was v. a. in der Vergangenheit hinsichtlich bautechnischer Erleichterungen wichtig war. Ein weiterer Vorteil ist die hohe Energiedichte, die man bei speziellen topografischen Voraussetzungen durch große Fallhöhen erreichen kann. Problematisch ist die Ausleitung des Wassers aus dem Fluss, der dann auf viele Kilometer Lauflänge nur mit einer sog. „Pflichtwasserabgabe“ bedacht wird.
Abb. 35

Ausleitungskraftwerk

Gestaltung im Längsschnitt und Aufriss. Beim Uferanschluss des Kraftwerks gelten die Konstruktionshinweise für Wehre sinngemäß. Besondere Beachtung verdient der Einlaufbereich. Er muss möglichst strömungsgünstig ausgebildet sein, damit Energieverluste infolge Strömungsumlenkung und Wirbelbildung weitgehend vermieden werden.

Für Vorentwürfe können die in Abb. 36 und 37 angegebenen Maße verwendet werden. Die Abmessungen beziehen sich auf den vom Turbinenhersteller vorgegebenen Wert für den Laufraddurchmesser d1.
Abb. 36

Schnitt durch ein Kraftwerk mit Kaplanturbine (nach (Blind 1987))

Abb. 37

Schnitt durch ein Kraftwerk mit Rohrturbine (nach (Blind 1987))

Hochdruckanlage

Wasserkraftwerke mit Fallhöhen über 50 m zählt man zu den Hochdruckanlagen. Man findet sie überwiegend im Gebirge, wenn in hoch gelegenen Talsperren das zufließende Wasser gesammelt und über Triebwasserstollen einem Kraftwerk im Tal zugeführt wird.

In Abb. 38 ist das hydraulische System einer klassischen Hochdruckanlage skizziert, wenn Talsperre und Krafthaus räumlich weit auseinanderliegen. Beim Schnellschluss der Turbinen entsteht im Zuleitungsrohr ein Druckstoß, auf den die Rohrleitung bemessen werden muss. Bei langen Zuleitungen ist es wirtschaftlich, ein Wasserschloss anzuordnen, das den Zuleitungsstollen vom Druckstoß entlastet (Wasserschlosstypen s. Abb. 39). Abb. 40 zeigt ein Talsperrenkraftwerk. Hier befindet sich das Maschinenhaus am Fuß der Staumauer.
Abb. 38

Hydraulisches System einer Hochdruckanlage

Abb. 39

Wasserschlosstypen

Abb. 40

Beispiel für ein Talsperrenkraftwerk

Zu den Hochdruckanlagen gehören auch Pumpspeicherwerke. Diese mit Pumpturbinen ausgestatteten Kraftwerke ermöglichen eine schnelle Anpassung der Stromproduktion an einen erhöhten Strombedarf während der Spitzenzeiten des täglichen Verbrauchs. Innerhalb von wenigen Sekunden lassen sich Pumpturbinen von Pumpbetrieb auf Turbinenbetrieb umstellen und können damit teuren Spitzenstrom erzeugen.

4.3 Turbine und Generator

Je nach Fallhöhe und Abfluss kommen unterschiedliche Turbinentypen zur Anwendung (Abb. 41 und 42). Man unterscheidet im Wesentlichen zwischen
  • Überdruckturbinen (Kaplan-Turbine, Francis-Turbine),

  • Gleichdruckturbinen (Pelton-Turbine),

  • Durchströmturbinen (Ossberger-Turbine).
    Abb. 41

    Einsatzbereiche für Turbinen bei Kleinwasserkraftanlagen (P<2 MW)

    Abb. 42

    Einsatzbereich für Turbinen bei großen Wasserkraftanlagen

Bei Hochdruckanlagen kommen ausschließlich Francis- und Pelton-Turbinen zum Einsatz. Bei Fallhöhen ab etwa 100 m und kleinen Durchflüssen wird die Pelton-Turbine verwendet. Größere Durchflüsse verarbeitet die Francis-Turbine besser; ihr idealer Druckbereich liegt unter 100 m. Die jeweiligen Einsatzbereiche für Wasserkraftanlagen gibt Abb. 42 wieder. Die Bereiche bei Kleinwasserkraftanlagen sind in Abb. 41 enthalten.

Überdruckturbinen. Bei Kaplan- und Francis-Turbinen handelt es sich um geschlossene Systeme, die sich vollständig im Wasser befinden. Der Druckunterschied zwischen Turbinenoberseite und -unterseite versetzt das Laufrad in Drehbewegung. Besonders zu beachten ist die Höhenlage der Turbinenschaufel. Bei zu hoher Anordnung in Bezug zum Unterwasser besteht die Gefahr der Kavitation, d. h. der Dampfblasenbildung, verbunden mit einem erodierenden Angriff auf die Turbinen.

Gleichdruckturbinen. Von „Gleichdruckturbinen“ spricht man, wenn das Triebwasser die Zuleitung unter sehr hoher Geschwindigkeit verlässt und unter atmosphärischem Druck auf die Turbinenschaufeln stößt. Diese Turbinen heißen daher auch „Freistrahlturbinen“. Der starke Impuls des aufprallenden Wassers versetzt die Turbine in Drehbewegung. Bei diesem Prinzip wird demnach nicht mit Überdruck gearbeitet, sondern die Druckhöhe des Wassers, seine potenzielle Energie, wird vollständig in kinetische Energie umgewandelt. Freistrahlturbinen arbeiten besonders effizient bei hohen Drücken und – damit verbunden – großen Austrittsgeschwindigkeiten (>100 m/s).

Die heutige Bauform der Freistrahlturbine wird nach ihrem Entwickler meist „Pelton-Turbine“ genannt. Es gibt sie mit ein oder mehreren Düsen. Bei der Wahl von mehr als drei Düsen empfiehlt sich wegen der einfacheren Führung der Zuleitungsrohre eine vertikale Anordnung der Turbinenachse.

Durchströmturbinen. Insbesondere bei Kleinwasserkraftanlagen im Nieder- und Mitteldruckbereich hat sich die Durchströmturbine (Ossberger-Turbine) bewährt (Abb. 43). Das walzenförmige Laufrad ähnelt einem Wasserrad. Es ist in mehrere Zellen aufgeteilt, die je nach Wasserdargebot beaufschlagt werden können. Damit erreicht die Durchströmturbine auch bei Teilbeaufschlagung einen guten Wirkungsgrad. Das Laufrad hat etwa 30 gekrümmte Schaufeln, die über den Leitapparat radial beaufschlagt werden. Die Anströmung ist sowohl horizontal als auch vertikal möglich. Der Einsatzbereich der Turbine liegt zwischen wenigen Litern pro Sekunde und etwas über 10 m3/s. Bei einem Fallhöhenbereich zwischen 1 und 200 m sind Leistungen bis etwa 1500 kW erzielbar.
Abb. 43

Durchströmturbine (Ossberger-Turbinenfabrik 1990)

Systembedingt tritt bei der Durchströmturbine keine Kavitation auf. Auch ist sie relativ unempfindlich gegen Verunreinigungen und Treibgut im Triebwasser. Die Robustheit der Durchströmturbine, verbunden mit geringem Wartungsbedarf, haben für eine rasche Verbreitung v. a. in Entwicklungsländern gesorgt.

4.4 Ökologie und Wasserkraft

Die Wasserkraftnutzung ist immer mit einem Eingriff in das Ökosystem der Flusslandschaft verbunden. Daher muss in den Abwägungsprozess der Vor- und Nachteile auch der Eingriff in den Naturhaushalt berücksichtigt werden. In den Ländern der Europäischen Gemeinschaft ist eine Umweltverträglichkeitsprüfung (UVP) vorgeschrieben. Den positiven Aspekten wie
  • regenerative und CO2-freie Energieerzeugung,

  • hoher Erntefaktor im Vergleich zu anderen Energieträgern und

  • ausgereifte Technik mit hohem Wirkungsgrad

stehen die Eingriffe in den Naturhaushalt gegenüber wie
  • Aufstau des Gewässers, verbunden mit geringerer Fließgeschwindigkeit und verstärkter Sedimentation,

  • Ausleitung des Wassers bei Umleitungskraftwerken und

  • Unterbrechung des Fließkontinuums.

Beschränkungen in der Stauhöhe, ökologisch vertretbare Mindestwasserregelungen und Umgehungsgewässer können diese Eingriffe minimieren. Konkrete Angaben über Höhen und Abfluss hängen jedoch sehr stark von den jeweiligen Randbedingungen ab und sind aus Fachliteratur zu entnehmen.

Literatur

  1. Blind H (Hrsg) (1987) Wasserkraftanlagen. In: Wasserbauten aus Beton. Ernst & Sohn, BerlinGoogle Scholar
  2. Blind H, Linse D, Knauss J (1987) Talsperren. In: Blind H (Hrsg) Wasserbauten aus Beton. Ernst & Sohn, BerlinGoogle Scholar
  3. Breth H (1994) Zur Anwendung der Sicherheitstheorie im Staudammbau. Mitteilungen des Instituts und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TH Darmstadt, 32, S 13–20, 1–191Google Scholar
  4. Breth H, Arslan U (1989) Die Beanspruchung des Asphaltbetons als Innendichtung in hohen Dämmen, vorgeführt an zwei Beispielen. STRABAG-Schriftenreihe Asphalt-Wasserbau, 45, S 9–52Google Scholar
  5. DVWK (1990) Betrachtungen zur (n-1)-Bedingung an Wehren. Merkblatt 216 des Deutschen Verbands für Wasserwirtschaft und Kulturbau e.V. Parey, HamburgGoogle Scholar
  6. DVWK (1991) Mess- und Kontrolleinrichtungen zur Überprüfung der Standsicherheit von Staumauern und Staudämmen. Merkblatt 222 des Deutschen Verbands für Wasserwirtschaft und Kulturbau e.V. Parey, Hamburg. Siehe auch Nachfolgemerkblatt [DWA 2011]Google Scholar
  7. DWA (2002) Berechnungsverfahren für Staudämme – Wechselwirkung zwischen Bauwerk und Untergrund. Merkblatt DWA-M 502 (März 2002) der Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft. Abwasser und Abfall e. V., HennefGoogle Scholar
  8. DWA (2011) Bauwerksüberwachung an Talsperren. Merkblatt DWA-M 514 (Juli 2011) der Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft. Abwasser und Abfall e. V., HennefGoogle Scholar
  9. DWA (2014) Fischaufstiegsanlagen und fischpassierbare Bauwerke – Gestaltung, Bemessung, Qualitäts-sicherung. Merkblatt DWA-M 509 (Mai 2014) der Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft. Abwasser und Abfall e. V., HennefGoogle Scholar
  10. DWA (2016) Dichtungssysteme im Wasserbau. Teil 2: Flächenhafte Dichtungen an Massivbauwerken. Merkblatt DWA-M 512-2 (Dezember 2016) der Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft. Abwasser und Abfall e. V., HennefGoogle Scholar
  11. Europäische Kommission (2002) Die Wasserrahmenrichtlinie – Tauchen Sie ein. Europäische Kommission, LuxemburgGoogle Scholar
  12. Giesecke J, Mosonyi E (1998) Wasserkraftanlagen: Planung, Bau und Betrieb, 2. Aufl. Springer, Berlin/Heidelberg/New YorkCrossRefGoogle Scholar
  13. Hartlieb A (1999) Offene Deckwerke – Eine naturnahe Methode zur Sohlstabilisierung eintiefungsgefährdeter Flussabschnitte. Bericht Nr. 84 der Versuchsanstalt für Wasserbau, Obernach. TU München, MünchenGoogle Scholar
  14. Häusler E (1987) Wehre. In: Blind H (Hrsg) Wasserbauten aus Beton. Ernst & Sohn, BerlinGoogle Scholar
  15. Houlsby GT (1985) Design and construction of cement grouted curtains. In: Transmission of 15th ICOLD, LausanneGoogle Scholar
  16. Kaczynski J (1994) Stauanlagen – Wasserkraftanlagen. Werner, DüsseldorfGoogle Scholar
  17. Kutzner C (1996) Erd- und Steinschüttdämme für Stauanlagen. Ferdinand Enke, StuttgartGoogle Scholar
  18. Lange G, Lechner K (1993) Gewässerregelung – Gewässerpflege; Naturnaher Ausbau und Unterhaltung von Fließgewässern. Verlag Paul Parey, HamburgGoogle Scholar
  19. Lattermann E (1997) Wasserbau in Beispielen. Werner, DüsseldorfGoogle Scholar
  20. Mangelsdorf J, Scheurmann K (1980) Flussmorphologie – Ein Leitfaden für Naturwissenschaftler und Ingenieure. Oldenbourg, MünchenGoogle Scholar
  21. Ossberger (1990) Firmenschrift „Die Wasserkraftidee“. Ossberger-Turbinenfabrik GmbH+ Co, WeissenburgGoogle Scholar
  22. Schröder W (1998) Wasserbau und Wasserwirtschaft. In: Schneider K-J (Hrsg) Bautabellen für Ingenieure mit Berechnungshinweisen und Beispielen, 13. Aufl. Werner, DüsseldorfGoogle Scholar
  23. Schröder W et al (1994) Grundlagen des Wasserbaus: Hydrologie, Hydraulik, Wasserrecht, 3. Aufl. Werner, DüsseldorfGoogle Scholar
  24. Striegler W (1998) Dammbau in Theorie und Praxis. Verlag für Bauwesen, BerlinGoogle Scholar
  25. Strobl Th (1982) Ein Beitrag zur Erosionssicherheit von Einphasen-Dichtungswänden. Wasserwirtschaft 72(7/8):269–272Google Scholar
  26. Strobl Th (1991) Felsabdichtung unter Talsperren mit einer Schlitzwandfräse. Wasserwirtschaft 81(7/8):345–351Google Scholar
  27. Strobl Th, Zunic F (2006) Wasserbau: Aktuelle Grundlagen – Neue Entwicklungen. Springer, Berlin/Heidelberg/New YorkGoogle Scholar
  28. Strobl Th et al (1992) Kerndichtungen aus Asphaltbeton für Erd- und Steinschüttdämme. Bericht Nr 72 der Versuchsanstalt für Wasserbau, Obernach. TU München, MünchenGoogle Scholar
  29. Strobl T et al (1996) Wasserkraft im Spannungsfeld zwischen Umwelt und Energieerzeugung. Bauingenieur 71(6):269–273Google Scholar
  30. Strobl Th et al (1997) Das MEFI-Modell – Ein Verfahren zur Ermittlung ökologisch begründeter Mindestabflüsse in Ausleitungsstrecken von Wasserkraftanlagen. Bericht Nr. 80 der Versuchsanstalt für Wasserbau, Obernach. TU MünchenGoogle Scholar
  31. TLW: Technische Lieferbedingungen für Wasserbausteine (2003) DIN EN 13383 „Wasserbausteine“. BerlinGoogle Scholar
  32. Vischer D, Huber A (2002) Wasserbau: Hydrologische Grundlagen, Elemente des Wasserbaus, Nutz- und Schutzwasserbauten an Binnengewässern, 6. Aufl. Springer, Berlin/Heidelberg/New YorkCrossRefGoogle Scholar

Normen

  1. DIN 1045: Beton und Stahlbeton; Bemessung und Ausführung (07/1988)Google Scholar
  2. DIN 19700: Stauanlagen. Teil 10: Gemeinsame Festlegungen. Teil 11: Talsperren. Teil 12: Hochwasserrückhaltebecken. Teil 13: Staustufen. Teil 14: Pumpspeicherbecken. Teil 15: Sedimentationsbecken (07/2004)Google Scholar
  3. DIN 4048 Teil 1: Wasserbau; Begriffe; Stauanlagen (01/1987)Google Scholar
  4. DIN 4048 Teil 2: Wasserbau – Begriffe – Wasserkraftanlagen (07/1994)Google Scholar
  5. DIN EN 13383-1: Wasserbausteine – Teil 1: Anforderungen (07/2015)Google Scholar

Copyright information

© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2019

Authors and Affiliations

  1. 1.Lehrstuhl für Wasserbau und WasserwirtschaftTechnische Universität MünchenMünchenDeutschland

Personalised recommendations