Wasserbau: Hydrologische Grundlagen, Elemente des Wasserbaus, Nutz- und Schutzbauten an Binnengewässern

370 Pages·1993·13.98 MB·German

by  Dr.Dr.h.c. Daniel Vischer, Dr. Andreas Huber (auth.)

Springer-Lehrbuch
Daniel Vischer • Andreas Huber
Wasserbau
Hydrologische Grundlagen
Elemente des Wasserbaus
Nutz- und Schutzbauten an
Binnengewässern
Fünfte, vollständig überarbeitete
und elWeiterte Auflage
Mit 326 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg GmbH
Dr.Dr.h.c. Danie! Vischer
Professor fiir Wasserbau an der Eidg. Technischen Hochschule (ETH) Zürich
Dr. Andreas Huber
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Dozent fiir Wasserbau an der Ingenieurschule Rapperswil
Versuchsanstalt fiir Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie
an der ETH Zürich
ISBN 978-3-540-56178-1
Die Deutsche Bibliothek -CIP-Einheitsaufnahme
Vischer, Daniel: Wasserbau: hydrologische Grundlagen, Elemente des Wasserbaus, Nutz-und
Schutzbauten an BinnengewässernlD. Vischer; A. Huber. -5., volls!. überarb. und erw. Auf!.
ISBN 978-3-540-56178-1 ISBN 978-3-662-10853-6 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-10853-6
NE: Huber, Andreas:
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Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1985 und 1993
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New Yolk 1993
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Satz: Datenkonvertierung durch Danny Lewis, Berlin;
6213020 -5 4 3 2 1 0 - Gedruckt auf säurefreiem Papier
Vorwort zur fünften Auflage
Der Übergang von der vierten zur fünften Auflage wurde benützt, um das Buch
vollständig zu überarbeiten. Die Systematik der früheren Auflagen ist zwar im
wesentlichen beibehalten: Nach einer kurzen Einführung werden die Grundzüge
der Ingenieurhydrologie vermittelt. Dann werden die Elemente des Binnenwas
serbaus vorgestellt, d.h. die Fassungen, Wehre, Speicher, Kanäle, Leitungen und
die in der Wasserwirtschaft eingesetzten hydraulischen Maschinen. Schließlich fol
gen zwei Kapitel über Nutz- und Schutzwasserbauten, wo gezeigt wird, wie die
erwähnten Elemente kombiniert werden können, um Anlagen für die Bewässe
rung, die Wasserkraftnutzung, die Binnenschiffahrt, den Hochwasserschutz und die
Entwässerung zu erstellen. Im Unterschied zu den früheren Auflagen wird aber auf
das Schlußkapirel über Wasserbau im Umweltsbezug verzichtet. Es erschien uns
sinnvoller, die ökologischen Fragen fortlaufend in den Text einzubauen und sie
damit voll zu integrieren. Das führte an verschiedenen Stellen zu erheblichen Aus
weitungen, so insbesondere in den Abschnitten über Wildbachverbau und Flußbau:
Dort werden u.a. Hinweise auf ingenieurbiologische Bauweisen und Renaturierung
korrigierter Bäche gegeben.
Den Hauptanlaß zu Überarbeitung bildeten zwei Anliegen: Zum einen soll
ten wissenschaftlich und technisch überholte Abschnitte durch aktuellere ersetzt
werden. Zwar entwickeln sich die Grundzüge des Wasserbaus nicht derart rasch,
wie einzelne seiner Spezialbereiche. Doch werden in jedem Gebiet des N utz- und
Schutzwasserbaus laufend Fortschritte erzielt, die es wahrzunehmen und zu berück
sichtigen gilt. Zum anderen ging es uns darum, unseren jahrelangen Erfahrungen
in der Lehre Rechnung zu tragen. Aus zahlreichen Fragen an uns und unsere As
sistenten, sowie aus vielen Übungen, Semester- und Diplomarbeiten konnten wir
entnehmen, wo unsere Studenten mit dem Text Schwierigkeiten hatten. Auch einige
Bemerkungen aus der Praxis haben uns diesbezüglich geholfen. Dementsprechend
haben wir nun vieles neu dargestellt und erklärt, manches ausführlicher gehalten
und einiges, das unwesentlich oder gar störend war, weggelassen.
Abschließend danken wir Frau E. Weber für die Reinschrift und Gestaltung
unserer Entwürfe, sowie Frau E. Krätzer, Herrn eh. Bucher und Herrn V. Suter für
die Erstellung der Zeichnungen. Ein weiterer Dank richtet sich auch an den Verlag
für seine Geduld und sein Verständnis.
Zürich, im Januar 1993 D. Vischer, A. Huber
Vorwort zur ersten Auflage
Ohne Wasser wäre auf der Erde kein menschliches Leben möglich. Der Mensch
ist genötigt, sich mit dem Wasser auseinanderzusetzen, und er tut dies mehr oder
minder bewußt und auf vielfältige Weise. Dazu gehört das Erstellen von Bauwer
ken zur Nutzung oder Abwehr des Wassers, eine Aufgabe, die ihren sichtbaren
Ausdruck in zahlreichen Wasserbauten findet. Die zugehörige Technologie wird als
Wasserbau bezeichnet.
Das vorliegende Werk vermittelt die Grundzüge des Wasserbaues, d.h., es be
schreibt die üblichen Problemstellungen und Lösungen, ohne auf Einzelheiten ein
zugehen. Die Erläuterungen sind dementsprechend kurz gehalten und die Textab
bildungen skizzenhaft. Dadurch soll dem interessierten Leser eine rasche Übersicht
vermittelt werden. Für eingehendere Auskünfte und Quellenangaben sei auf die
Fachliteratur verwiesen.
Einschränkend ist zu bemerken, daß nicht sämtliche Teilgebiete des Wasser
baues gestreift werden. Das Schwergewicht liegt auf dem konstruktiven Wasserbau
des Binnenlandes. Auf die Behandlung des Siedlungswasserbaues und des Mee
reswasserbaues wird verzichtet. Auch wird vorausgesetzt, daß der Leser die Hy
draulik der stationären Abflüsse in offenen und geschlossenen Gerinnen sowie die
Grundzüge der Baustatik und der Bodenmechanik kennt.
Die Verfasser haben sich erst nach längerem Zögern dazu entschlossen, diese
einfache Einführung abzufassen. Sie sind dazu von verschiedenen Seiten ermuntert
worden, insbesondere vom Springer-Verlag, dem sie dafür danken. Möge die Ar
beit der wasserwirtschaftlich ausgerichteten Lehre und Praxis den erhofften Dienst
erweisen! Der Dank der Verfasser richtet sich auch an die Mitarbeiter, die das Vor
haben unterstützten, so insbesondere an die Ingenieure G. Anastasi, H.R. Binz und
W. Schaufelberger.
Zürich, im Dezember 1977 D. Vischer, A. Huber
Inhalt
1 Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Definition des Wasserbaus .................................... 1
1.2 Gliederung des Wasserbaus ................................... 1
1.3 Umfang des vorliegenden Buches ......•....................... 2
2 Wasserhaushalt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1 Wasservorräte der Erde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 Wasserhaushaltsgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.3 Abflußkoeffizient ..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.4 Einzugsgebiet .............................................. 6
2.5 Niederschlag .............................................. 8
2.5.1 Entstehung des Niederschlags ........................... 8
2.5.2 Niederschlagsmessung ................................ 8
2.5.3 Auswertung von Niederschlagsmessungen ................. 10
2.6 Verdunstung................................................ 13
2.7 Rückhalt................................................... 15
2.8 Abfluß .................................................... 17
2.8.1 Abflußregime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.8.2 Vermessung von Gewässern ............................ 19
2.8.3 Wasserstandsmessung (Pegelmessung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21
2.8.4 Abflußmessung ....................................... 23
2.8.5 Durchflußmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.8.6 Auswertung von Wasserstands- und Abflußmessungen ....... 36
2.8.7 Abflußmeßnetz ....................................... 39
2.8.8 Übertragung von Abflußmessungen ....................... 40
2.8.9 Abschätzung der Hochwasserspitzen ..................... 43
2.9 Feststoffe ................................................. 53
2.9.1 Schwimmstoffe (Geschwemmsei, Treibzeug) ............... 54
2.9.2 Schwebstoffe (Schweb, Suspension) ...................... 55
2.9.3 Geschiebe .......................................... 57
2.9.4 Eis ................................................. 66
VIII Inhalt
3 Fassungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.1 Faßbare Wassennengen ......................... '" .... .... ... 68
3.1.1 Entnahme von Bach- oder Flußwasser ... '" .. .. ...... .. ... 68
3.1.2 Entnahme von Seewasser ............................... 70
3.2 Fluß- oder Bachwasserfassungen ............................... 71
3.2.1 Bauweisen..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 71
3.2.2 Geschiebeabweisung und -spülung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 76
3.2.3 Schwebstoffvenninderung durch Entsander .. . . . . . . . . . . . . . .. 79
3.2.4 Geschwemmselbeseitigung.............................. 86
3.2.5 Eisprobleme .. . .... ... ..... ... ..... ... ..... ... ..... ... 90
3.3 Seewasserfassungen ......................................... 90
3.3.1 Bauweisen, Gestaltung des Einlaufs ...................... 90
3.3.2 Feststoffprobleme ..................................... 93
4 Wehre................................................... 95
4.1 Feste Wehre .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 95
4.1.1 Nonnales Wehr ....................................... 96
4.1.2 Streichwehr .......................................... 101
4.1.3 Tirolerwehr .......................................... 103
4.2 Bewegliche Wehre ......................................... 104
4.2.1 Schützen typen ........................................ 105
4.2.2 Hubschützenwehr ..................................... 107
4.2.3 Segmentschützenwehr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 111
4.2.4 Klappenschützenwehr .................................. 114
4.2.5 Dichtungen, Frostschutz ............................... 115
4.2.6 Schlauchwehr ....................................... 116
4.2.7 Notverschlüsse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 116
4.3 Dichtungsschirme ........................................... 118
4.4 Stabilität des Wehrkörpers .................................... 119
4.4.1 Statisches System und Belastungsfälle ..................... 119
4.4.2 Wichtige Stabilitätsnachweise ........................... 120
4.5 Fischpässe ................................................ 123
5 Speicher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.1 Wirkungsweise und Bemessung ................................ 129
5.2 Stauseen................................................... 135
5.2.1 Talsperren ........................................... 135
5.2.2 Nebenanlagen von Talsperren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 141
5.2.3 Sicherheitskonzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.3 Künstliche Becken .......................................... 145
6 Kanäle ................................... '" .............. 147
Inhalt IX
6.1 Offene Kanäle .............................................. 147
6.1.1 Hydraulische Bemessung ............................... 147
6.1.2 Schwall- und Sunkwellen ............................... 153
6.1.3 Wirtschaftliche Bemessung .............................. 155
6.1.4 Kanäle mit geböschten Ufern (Trapezkanäle) ............... 161
6.1.5 Kanäle mit biegesteifen Wänden ........................ 166
6.2 Geschlossene Kanäle und Freilaufstollen ......................... 167
6.2.1 Hydraulische Bemessung ............................... 167
6.2.2 Wirtschafliche Bemessung .............................. 172
6.2.3 Kanäle im Lockergestein ............................... 172
6.2.4 Freilaufstollen ....................................... 178
6.3 Sonderbauwerke ............................................ 179
6.3.1 Schußrinnen. Rauhgerinne und Steilleitungen .............. 179
6.3.2 Schächte ............................................. 181
6.3.3 Kreuzungs- und Mündungsbauwerke ...................... 182
7 Druckleitungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 184
7.1 Hydraulische Bemessung ..................................... 184
7.2 Wirtschaftliche Bemessung .................................... 186
7.2.1 Trassierung .......................................... 187
7.2.2 Querschnittsabmessungen ............................... 188
7.3 Druckstösse................................................ 191
7.3.1 Plötzliche Durchflußänderung ............................ 191
7.3.2 Lineare Durchflußänderung ............................. 195
7.3.3 Langsame Durchflußänderung ........................... 198
7.4 Bemessungsdrücke .......................................... 198
7.4.1 Stationärer Betrieb .................................... 199
7.4.2 Instationärer Betrieb ................................... 202
7.4.3 Bau- und Revisionszustände .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 203
7.5 Rohre..................................................... 203
7.5.1 Konstruktive Gestaltung ................................ 203
7.5.2 Statik dickwandiger Rohre ............................. 205
7.5.3 Statik dünnwandiger Rohre ............................. 206
7.6 Druckstollen und -schächte .................................... 211
7.6.1 Querschnittsgestaltung ................................. 211
7.6.2 Statik der Druckstollen und -schächte .................... 213
7.7 Ausrüstung der DruCkleitung .................................. 215
7.7.1 Schieber und Ventile. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 216
7.7.2 Maßnahmen gegen den Druckstoß ........................ 216
8 Hydraulische Maschinen .................................... 218
8.1 Kreiselpumpen (Turbopumpen) ................................ 218
8.1.1 Konstruktive Merkmale ................................ 218
X Inhalt
8.1.2 Anlage- und Pumpenkennkurve .......................... 219
8.1.3 Optimale Pumpenwahl ................................. 223
8.1.4 Leistungsbedarf ....................................... 224
8.1.5 Grundsätzliche Anordnung ............................. 225
8.1.6 Hintereinander- und Nebeneinanderschaltung ............... 225
8.1.7 Regulierung......................................... 228
8.1.8 Intermittierender Betrieb. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 229
8.2 Schneckenpumpen ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
8.3 Kolbenpumpen ............................................. 232
8.4 Turbinen .................................................. 233
8.4.1 Konstruktive Merkmale ................................ 233
8.4.2 Allgemeine Anordnung und Regulierung .................. 236
8.4.3 Leistungsabgabe ...................................... 239
9 Nutzwasserbauten .......................................... 241
9.1 Bewässerung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 241
9.1.1 Stauverfahren ......................................... 242
9.1.2 Rieselverfahren ....................................... 244
9.1.3 Beregnung ........................................... 245
9.1.4 Tropfbewässerung ..................................... 248
9.1.5 Unterflurbewässerung .................................. 248
9.2 Wasserkraftnutzung .......................................... 251
9.2.1 Das Prinzip der Wasserkraftnutzung ...................... 251
9.2.2 Ausbauarten .. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . ... . .. .. ... . .. .. .. 253
9.2.3 Niederdruckanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
9.2.4 Mittel- und Hochdruckanlagen ........................... 258
9.2.5 Pumpspeicherwerke .................................... 263
9.3 Schiffahrt.................................................. 267
9.3.1 Die Schiffe .......................................... 267
9.3.2 Das Schiff im Fahrwasser ............................... 269
9.3.3 Wasserstraßen ....................................... 272
9.3.4 Hafenanlagen ......................................... 276
9.3.5 Schleusen ............................................ 276
9.3.6 Kleinschiffahrt ........................................ 280
10 Schutzwasserbauten ....................................... 282
10.1 Konzepte des Hochwasserschutzes .............................. 282
10.2 HochwasseITÜckhalt ......................................... 286
10.2.1 Rückhaltevorgang ..................................... 287
10.2.2 Regulierung natürlicher Seen ............................ 288
10.2.3 Erschließung von überftutungsflächen ..................... 289
10.2.4 Schaffung von HochwasseITÜckhaltebecken ................ 290
10.3 Wildbachverbauungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 294
Inhalt XI
10.3.1 Maßnahmen im Erosionsgebiet .......................... 295
10.3.2 Maßnahmen auf dem Schwemmkegel ..................... 307
10.4 Flußbau ................................................... 310
10.4.1 Zielsetzung .......................................... 311
10.4.2 Grundlagen der Korrektionsprojekte ..................... 312
10.4.3 Beeinflussung des Geschiebetransportvermögens durch
Korrektionsmaßnahmen ............................... 316
10.4.4 Linienführung, Längsprofil, QuerschniUgestaltung ........... 319
10.4.5 Baustoffe und Bauweisen ............................... 320
10.4.6 Korrektionsmöglichkeiten ............................... 321
10.5 Entwässerung ............................................... 331
10.5.1 Entwässerungssysteme ................................. 331
10.5.2 Vorfluter ............................................. 334
10.5.3 Grabenentwässerung ................................... 334
10.5.4 Dränung ............................................. 337
Weiterführende Literatur 346
Auswahl an DIN-Normen 349
Sachverzeichnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351