Wasserwirtschaftliche Berechnungen

Wasserwirtschaftliche Berechnungen
Inhaltsverzeichnis
1
Berechnungsgrundlagen
2
1.1
1.2
1.3
Verwendete Daten und Unterlagen
Einzugsgebiet und Abflüsse
Ausgangswasserstand in der Ochtum
2
3
6
2
2D-Hydraulikmodell
7
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
Untersuchungsraum
Modellgeometrie
Rauheitsbeiwerte
Angesetzte Steuerung der Wehrklappe am Gut Varrel
Durchgeführte Berechnungen
7
9
10
10
11
3
Bemessung des Umfluters mit Sohlengleite am Gut Varrel
12
3.1
3.2
3.2.1
3.2.2
3.3
Beschreibung der Gerinnegeometrie
Nachweis der Gerinnegeometrie nach ökologischen Vorgaben
Wasserstände
Strömungsgeschwindigkeiten
Sohlensicherung Umfluter/Sohlengleite
12
12
13
16
19
4
Bemessung der Bauwerke am Moordeicher Wasserzug
21
4.1
4.2
Schöpfwerk Moordeicher Wasserzug
Hochwasserabschlag Moordeicher Wasserzug
21
21
5
Bemessung der Bauwerke an der Varreler Graft
23
5.1
5.2
Schöpfwerk Varreler Graft
Hochwasserabschlag Varreler Graft
23
23
6
Bemessung der Deichhöhen
26
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1-1:
Tabelle 2-1:
Abflüsse am Pegel Kirchseelte und am Umfluter
Angesetzte Rauheitswerte
5
10
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1-1:
Abbildung 1-2:
Abbildung 2-1:
Abbildung 3-1:
Abbildung 3-2:
Abbildung 3-3:
Abbildung 3-4:
Abbildung 3-5:
Abbildung 3-6:
Einzugsgebiet der Varreler Bäke
Abflüsse im Einzugsgebiet der Varreler Bäke (HQ100)
Untersuchungsraum 2D-Hydraulik mit Gewässerstrecken
Wasserstände auf der Sohlengleite bei Q30/MQ/HQ100
Wassertiefe im Bereich der Sohlengleite (Q30)
Wassertiefe im Bereich der Sohlengleite (MQ)
Strömungsgeschwindigkeiten in Varreler Bäke und Sohlengleite
(Q30)
Strömungsgeschwindigkeiten in Varreler Bäke und Sohlengleite
(MQ)
Bemessung der Steinstabilität nach PALT & DITTRICH
3
4
8
13
14
15
17
18
19
G:\5088\5088 A\Texte\Erläuterungen\2015-05-05 Abgabe Entwurfs- und Genehmigungsplanung\2015-05-05 Wasserwirtschaftliche
Berechnungen.docx
www.idn-consult.de
1 Berechnungsgrundlagen
1.1
Verwendete Daten und Unterlagen
Für die wasserwirtschaftlichen Berechnungen wurden folgende Grundlagen
herangezogen:
•
Daten und Unterlagen zur Berechnung der Überschwemmungsgebiete
des Klosterbaches/Varreler Bäke, des Moordeicher Wasserzuges und
der Varreler Graft, aufgestellt von der IDN Ingenieur-Dienst-Nord
Dr. Lange - Dr. Anselm GmbH (November 2007), zur Verwendung freigegeben vom NLWKN, Betriebsstelle Sulingen
•
Daten und Unterlagen zur Berechnung der ÜSG des Klosterbaches/Varreler Bäke, des Moordeicher Wasserzuges und der Varreler
Graft - ohne Berücksichtigung von Verwallungen nördlich der Moordeicher Landstraße, aufgestellt von der IDN Ingenieur-Dienst-Nord
Dr. Lange - Dr. Anselm GmbH (März 2010), zur Verwendung freigegeben vom NLWKN, Betriebsstelle Sulingen
•
Vermessungsdaten im Vorlandbereich der Varreler Bäke, aufgenommen
vom Vermessungsbüro Ehrhorn, 06/2011
•
Wasserstände am Pegel Kirchseelte von 1972 bis 2001, zur Verfügung
gestellt vom NLWKN, Betriebsstelle Brake, November 2012
2/26
www.idn-consult.de
1.2
Einzugsgebiet und Abflüsse
Einzugsgebiet
Das Einzugsgebiet der Varreler Bäke ist insgesamt rd. 217 km² groß und setzt
sich aus den folgenden Teileinzugsgebieten zusammen:
•
Varreler Bäke (121,19 km²),
•
Moordeicher Wasserzug und Braunwasser von Blocken (5,65 km²),
•
Varreler Graft (13,43 km²) und
•
Pultern (77,04 km²)
Der Bereich der Hochwasserschutzplanungen ist maßgeblich vom Einzugsgebiet der oberstromigen Varreler Bäke beeinflusst. Oberhalb des Planungsraumes liegt der Pegel Kirchseelte an der Varreler Bäke. Das Einzugsgebiet des
Pegels beträgt 108 km². Die Teileinzugsgebiete, der Pegel Kirchseelte und der
Planungsraum sind in Abbildung 1-1 dargestellt.
Abbildung 1-1:
Einzugsgebiet der Varreler Bäke
3/26
www.idn-consult.de
Hochwasserabfluss (HQ100 )
Beim extremen Hochwasser von 1998 ist der Pegel ausgefallen. Seitens des
NLWKN - Betriebsstelle Brake - wurde das Hochwasser von 1998 anhand von
einzelnen Kontrollmessungen am Pegel Kirchseelte sowie der Ganglinie des
benachbarten Delme-Pegels Holzkamp ausgewertet. Für das Oktoberhochwasser von 1998 wurde demnach ein Spitzenabfluss von 27,6 m³/s am Pegel
Kirchseelte ermittelt.
Anhand einer statistischen Auswertung des NLWKN - Betriebsstelle Sulingen wurde unter Berücksichtigung der Abflussjahre 1970 bis 1998 ein 100-jährlicher
Hochwasserabfluss von ca. 27,2 m³/s ermittelt. In Abstimmung mit den beteiligten Fachbehörden wurde vereinbart, das etwas höhere Oktoberhochwasser
1998 als Bemessungshochwasser anzusetzen.
Zu Beginn der Planungen an der Varreler Bäke wurden durch den IDN ein
Flussgebietsmodell für das gesamte Einzugsgebiet aufgestellt und die HQ100Abflüsse für die einzelnen Gewässer berechnet (siehe Abbildung 1-2). Die mit
dem Flussgebietsmodell ermittelten Abflüsse wurden in den frühen Planungsphasen für den Hochwasserschutz sowie für die ÜSG-Ermittlungen verwendet.
Für die hiermit vorgelegten hydraulischen Berechnungen wurden die HQ100Abflüsse ebenfalls aus dem Flussgebietsmodell entnommen.
35
Varreler Bäke
30
Moordeicher Wasserzug
Braunwasser von Blocken
25
Abfluss [m³/s]
Varreler Graft
Pultern
20
15
10
5
0
0
Abbildung 1-2:
12
24
36
48
Zeit [h]
60
72
84
96
Abflüsse im Einzugsgebiet der Varreler Bäke (HQ100)
4/26
www.idn-consult.de
Die dargestellten Zuflüsse aus dem Flussgebietsmodell betragen für den Oberlauf der Varreler Bäke 29 m³/s, für das Gewässer Pultern 10,5 m³/s, für den
Moordeicher Wasserzug mit dem Braunwasser von Blocken 0,7 m³/s und für die
Varreler Graft 2,4 m³/s.
Die HQ100-Abflüsse wurden instationär im Berechnungsmodell angesetzt.
Mittel- und Niedrigwasserabfluss
Für die Berechnungen der Sohlengleite wurden der Mittelwasserabfluss (MQ)
und der Abfluss, der an höchstens 30 Tagen pro Jahr unterschritten wird (Q30),
herangezogen.
Zur Ermittlung der relevanten Abflüsse wurde der Pegel Kirchseelte herangezogen. Das Einzugsgebiet im Bereich des Umfluters ist mit 118,95 km³ gegenüber
dem Einzugsgebiet am Pegel Kirchsselte (108,0 km²) um den Faktor 1,1 höher.
Dieser Faktor wurde für die verwendetet Abflüsse entsprechend angesetzt.
Eine statistische Analyse hat für den Pegel Kirchseelte die in Tabelle 1-1 aufgeführten Abflusswerte ergeben.
Tabelle 1-1: Abflüsse am Pegel Kirchseelte und am Umfluter
Q30 2011
Q30 1972/2011
NQ 2011
MQ 2011
MQ 1972/2011
Kirchseelte
0,42 m³/s
0,38
0,36
0,83
0,92
m³/s
m³/s
m³/s
m³/s
Einlaufbereich Umfluter
0,46 m³/s
0,42
0,39
0,91
1,01
m³/s
m³/s
m³/s
m³/s
Gewählt
0,45 m³/s
0,95 m³/s
Für die Berechnungen der Mittel- und Niedrigwasserszenarien an der Sohlengleite wurden die Abflüsse Q30 = 0,45 m³/s sowie MQ = 0,95 m³/s stationär angesetzt.
5/26
www.idn-consult.de
1.3
Ausgangswasserstand in der Ochtum
An der Mündung der Varreler Bäke in die Ochtum stellen sich in Abhängigkeit
des jeweiligen Abflussereignisses unterschiedliche hydraulische Randbedingungen ein.
HQ100
Bei seltenen Hochwasserereignissen können Rückstaueffekte aus der Ochtum
in den Unterlauf der Varreler Bäke auftreten. Die Stärke des Rückstaus hängt
davon ab, ob und wie sich die Hochwasserwellen in der Varreler Bäke und der
Ochtum mit einem Hochwasserereignis in der Weser bzw. einem Verschließen
des Ochtumsperrwerkes überlagern.
Für den anzusetzenden Ausgangswasserstand an der Mündung der Varreler
Bäke sind zu der Überlagerung der Ereignisse Annahmen zu treffen.
Für die vorliegenden hydraulischen Berechnungen wurde die Annahme aus den
ÜSG-Berechnungen der Varreler Bäke aus den Jahren 2007 bzw.2010 übernommen. Der Wasserstand an der Mündung in die Ochtum wurde hier mit
3,5 m ü. NN festgelegt.
Die Ergebnisse der aktuellen Berechnungen für das ÜSG Ochtum wurden dem
IDN im Jahr 2013 vom NLWKN Sulingen zur Verfügung gestellt. Der Ausgangswasserstand der Varreler Bäke an der Mündung bei HQ100 beträgt auf
Grundlage dieser Ergebnisse 3,25 m ü. NN. Eine zur Kontrolle durchgeführte
Berechnung hat ergeben, dass sich durch diesen veränderten Ausgangswasserspiegel keine Änderungen des Bemessungswasserstandes (HW 100) im Planungsraum ergeben.
Q30, MQ, HQ1
Bei Abflüssen bis zu einem einjährlichen Hochwasser sind keine Rückstaueinflüsse aus der Ochtum in die Varreler Bäke zu erwarten.
Bei der Berechnung dieser Abflussszenarien wird als untere Randbedingung
ein Normalabfluss angesetzt.
6/26
www.idn-consult.de
2 2D-Hydraulikmodell
2.1
Untersuchungsraum
In der bestehenden Situation erfolgen bei Hochwasserereignissen Überläufe
vom Klosterbach/Varreler Bäke zu den umliegenden Gewässern (Braunwasser
von Blocken, Moordeicher Wasserzug und Varreler Graft).
Für die hydraulische Berechnung des ÜSG wurde daher im Auftrag des
NLWKN, Betriebsstelle Sulingen, ein 2D-Hydraulikmodell des gesamten Gewässersystems aufgebaut. In diesem Modell sind der Klosterbach/Varreler Bäke von Groß Mackenstedt bis zu Mündung in die Ochtum sowie weitläufige Vorlandbereiche und die oben genannten Nebengewässer abgebildet.
Die hydraulischen Berechnungen der geplanten Maßnahmen wurden auf
Grundlage des ÜSG-Modells durchgeführt. Der Modellbereich entspricht dem
des ÜSG (Abbildung 2-1).
7/26
www.idn-consult.de
Mündung der Varreler Bäke
in die Ochtum
Zulauf Pultern
Zulauf
Varreler Graft
Zulauf Moordeicher
Wasserzug
Zulauf Braunwasser
von Blocken
Zulauf Varreler Bäke
Abbildung 2-1:
Untersuchungsraum 2D-Hydraulik mit Gewässerstrecken
8/26
www.idn-consult.de
2.2
Modellgeometrie
Bestand
Das Hydraulikmodell zur Berechnung der geplanten Maßnahmen basiert auf
den Modellen zur ÜSG-Berechnung der Varreler Bäke (Stand November 2007)
und der Vergleichsrechnung des ÜSG "ohne Verwallungen" (Stand März 2010).
Im Zuge der Hochwasserschutzplanungen wurden weitere Vermessungsdaten
erhoben, die zur Verfeinerung des Hydraulikmodelles herangezogen wurden.
Das verfeinerte Bestandsmodell stellt den Referenzzustand für die Planungen
dar (Bestand).
Hinweis:
Die aufgelaufenen Vermessungsdaten wurden parallel zu den Hochwasserschutzplanungen auch vom NLWKN Sulingen für eine Überarbeitung
des ÜSG herangezogen. Diese Überarbeitung ist derzeit in Arbeit und
basiert auf der geleichen Modellgrundlage wie der hier zugrunde gelegte
Referenzzustand "Bestand".
Planung
Im Zuge der Bauwerksbemessung wurde das Bestandsmodell iterativ an die
jeweiligen Planungsstadien angepasst. Mit den Modellen der jeweiligen Planungsstände wurden verschiedene Abflussszenarien und Zustände berechnet.
Nach der Bemessung der einzelnen Bauwerke wurden die geplanten Deichtrassen, die Absenkungen bestehender Deiche und die Planungen des Umfluters mit Sohlengleite in einem vollständigen Planungsmodell abgebildet (Planung).
9/26
www.idn-consult.de
2.3
Rauheitsbeiwerte
Die Rauheitsbeiwerte wurden analog zur ÜSG-Berechnung angesetzt.
Die Geländenutzung im Untersuchungsraum wurde anhand von Karten sowie
Luftbildern festgelegt. Die für unterschiedliche Nutzungsarten angesetzten Geländerauheiten nach Manning-Strickler sind in Tabelle 2-1 zusammengestellt.
Tabelle 2-1: Angesetzte Rauheitswerte
Nutzung
Hauptquerschnitt der Gewässer
Böschungsbereich der Gewässer
Gräben
Seen
Sohlengleite
Deichflächen
Acker
Grünland
Gartenland
Wald
Gehölzreihen
Bebauung
Straßen- und Schienenverkehr
2.4
Rauheitsbeiwert
[m1/3/s]
45
25
25
60
15
20
10
20
15
5
10
5
20
Angesetzte Steuerung der Wehrklappe am Gut Varrel
In den Berechnungen mit HQ100 wurde die Wehranlage am Gut Varrel als vollständig gelegt angenommen. Für die Berechnungen mit Q30 und MQ wurde eine Wehrklappenhöhe von 6,25 m ü. NN angenommen, um auch bei geringen
Abflüssen einen Durchfluss am Gut Varrel zu erhalten.
10/26
www.idn-consult.de
2.5
Durchgeführte Berechnungen
Mit den Modellen (Bestand und Planung) wurden verschiedene Abflussszenarien berechnet und ausgewertet.
Für die Nachweise der ökologischen Belange des Umfluters mit Sohlengleite
wurden mit dem Planungs-Modell die Abflussszenarien MQ und Q30 berechnet.
Für die Bemessung der Deichhöhen und der Sohlensicherung der Sohlengleite
wurde für den Planungszustand das HQ100 berechnet.
Als Referenzzustand wurde mit dem Bestands-Modell ebenfalls das HQ100 berechnet.
11/26
www.idn-consult.de
3 Bemessung des Umfluters mit Sohlengleite am Gut Varrel
3.1
Beschreibung der Gerinnegeometrie
Die Geometrie des geplanten Umfluters mit Sohlengleite ergibt sich aus den
Ansprüchen für die hydraulisch optimale Hochwasserableitung, die ökologische
Passierbarkeit und den örtlichen Rahmenbedingungen. Der geplante Umfluter
mit Sohlengleite ist in den Anlagen 10-1 bis 10-4 und in Anlage 3-2 dargestellt.
Der Hochwasserabschlag beginnt an der Varreler Bäke bei Stationierung
6+519. Um eine optimale Hochwasserableitung über den Umfluter zu erreichen,
ist der erste Bereich der Gleite mit einem Sohlgefälle von 1 : 100 ausgebildet.
Die Sohllage reduziert sich in diesem Bereich in vier Abschnitten mit je 30 m
Länge von 5,95 m ü. NN auf 4,75 m ü. NN. Im mittleren, rd. 80 m langen Bereich ist eine horizontale Sohllage von 4,75 m ü. NN geplant. Der dritte Bereich,
in dem die bestehende Sohlengleite liegt, ist mit einem Sohlgefälle von 1 : 67
ausgebildet. Die Sohlhöhe reduziert sich in diesem Bereich über fünf Abschnitte
mit je 20 m Länge von 4,75 m ü. NN auf 3,25 m ü. NN.
Das Sohlgefälle ist in Abschnitte eingeteilt, um Ruhezonen für die Fauna zu
schaffen, die den Fischen den Aufstieg erleichtern.
Der gesamte Umfluter wird mit einer 1,5 m breiten Niedrigwasserrinne gestaltet,
um auch bei niedrigsten Abflüssen eine ausreichende Wassertiefe zu erzielen
und somit den Fischaufstieg zu ermöglichen.
3.2
Nachweis der Gerinnegeometrie nach ökologischen Vorgaben
Die Sohlengleite wurde in Anlehnung an die Publikation "Naturnahe Sohlengleiten", DWA (Januar 2009) dimensioniert.
Neben dem optimierten Hochwasserabfluss über den Umfluter ist danach für
die ökologische Durchgängigkeit die Einhaltung vorgegebener Strömungsparameter notwendig. Für Sohlengleiten mit gleichmäßiger Sohlenstruktur in der
Region Epi-Potamal sind Geschwindigkeiten von 80 bis 100 cm/s erlaubt. Die
Mindestwassertiefe sollte bei gleichmäßiger Bauweise die 2-fache Körperhöhe
der größtmöglichen Fischarten nicht unterschreiten. In der Varreler Bäke ist der
Hecht als maßgebliche Fischart vorzufinden. Als Empfehlung ist hier eine Mindestwassertiefe im Wanderkorridor von 27 cm angegeben.
12/26
www.idn-consult.de
3.2.1 Wasserstände
Die Wasserstände auf der Sohlengleite wurden mit dem 2D-Hydraulikmodell für
den Planungszustand berechnet und sind in Abbildung 3-1 sowie in
Anlage 10-1 dargestellt.
8,0
Sohle Plan
7,5
WSPL Q30
7,0
WSPL MQ
WSPL HQ100
Höhe [m ü. NN]
6,5
6,0
5,5
5,0
4,5
4,0
3,5
3,0
-10 10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250 270 290 310 330 350 370
Stationierung [m]
Abbildung 3-1:
Wasserstände auf der Sohlengleite bei Q30/MQ/HQ100
Die Wasserstände bewegen sich beim Q30-Abfluss im gesamten Bereich zwischen 27 und 48 cm, im Mittel bei 34 cm. Die geringsten Wassertiefen treten
dabei erwartungsgemäß im unteren Sohlengleitenbereich auf, hier ist das Sohlengefälle mit 1 : 67 am steilsten. Bei mittleren Abflussverhältnissen treten um
5 bis 10 cm größere Wassertiefen auf als beim Q30-Abfluss.
Die Hochwasserstände reduzieren sich durch den Bau der Sohlengleite im
oberhalb gelegenen Abschnitt der Varreler Bäke. Gegenüber dem Bestand reduziert sich der Hochwasserstand um rd. 25 cm. Gegenüber der ursprünglich
geplanten Variante des Deichbaus (ohne Ausbau der Sohlengleite zum Umfluter) reduzieren sich die Hochwasserstände oberhalb der Sohlengleite um rund
60 cm.
Die Abbildung 3-2 sowie Abbildung 3-3 zeigen die flächigen Wassertiefen der
Varreler Bäke und der auch als Umfluter verwendeten Sohlengleite bei Q30 und
MQ. Im Bereich der Sohlengleite wird deutlich, dass im gesamten Abschnitt das
13/26
www.idn-consult.de
Niedrigwassergerinne vollständig gefüllt ist. In den zwischengelagerten Ruhezonen sind die höheren Wasserstände erkennbar.
Abbildung 3-2:
Wassertiefe im Bereich der Sohlengleite (Q30)
14/26
www.idn-consult.de
Abbildung 3-3:
Wassertiefe im Bereich der Sohlengleite (MQ)
15/26
www.idn-consult.de
3.2.2 Strömungsgeschwindigkeiten
Die Strömungsgeschwindigkeiten auf der Sohlengleite wurden ebenfalls mit der
2D-Hydraulik für den Planungszustand berechnet.
Im oberen Abschnitt der Sohlengleite bei einem Gefälle von 1 : 100 liegen die
maximalen Strömungsgeschwindigkeiten bei 0,65 m/s (Q30) bzw. 0,71 m/s (MQ)
und damit unter der auf Sohlengleiten im Epi-Potamal zulässigen Fließgeschwindigkeit.
In den Beruhigungszonen reduzieren sich die Geschwindigkeiten auf 0,45 bis
0,5 m/s. Im ebenen Abschnitt zwischen Stationierung 120 und 200 reduzieren
sich die maximalen Geschwindigkeiten bis auf 0,26 m/s.
Im unteren Abschnitt der Sohlengleite bei einem Gefälle von 1 : 67 liegen die
maximalen Strömungsgeschwindigkeiten bei 0,77 m/s (Q30) bis 0,84 m/s (MQ)
im Grenzbereich der im Epi-Potamal zulässigen Fließgeschwindigkeiten. In den
Beruhigungszonen reduzieren sich die Geschwindigkeiten auf rund 0,5 m/s.
Die berechneten Strömungsgeschwindigkeiten zum HQ100 dienen zur Ermittlung
der notwendigen Sohlensicherung.
Abbildung 3-4 und Abbildung 3-5 zeigen die flächigen Strömungsgeschwindigkeiten der Varreler Bäke und der auch als Umfluter verwendeten Sohlengleite
bei Q30 und MQ.
In der Flächigen Darstellung wird ersichtlich, dass die oben angegebenen maximalen Strömungsgeschwindigkeiten in Gewässermitte auftreten. Mit fallender
Wassertiefe an den äußeren benetzten Flächen reduzieren sich die Strömungsgeschwindigkeiten deutlich. Hierdurch können auch kleinere, schwimmschwächere Fische aufwärts schwimmen.
16/26
www.idn-consult.de
Abbildung 3-4:
Strömungsgeschwindigkeiten in Varreler Bäke und Sohlengleite (Q30)
17/26
www.idn-consult.de
Abbildung 3-5:
Strömungsgeschwindigkeiten in Varreler Bäke und Sohlengleite (MQ)
18/26
www.idn-consult.de
3.3
Sohlensicherung Umfluter/Sohlengleite
Die Deckschicht der Sohlengleite muss den Erosionskräften der turbulenten
Strömung standhalten. Dazu wurde der erforderliche Korndurchmesser der
Steinschüttung nach dem Ansatz von PALT & DITTRICH (2002) aus "Naturnahe Sohlengleiten" berechnet. Die Geschwindigkeiten im Hochwasserfall (HQ100)
wurden mit dem 2D-Hydraulikmodell für den Planungszustand berechnet.
Die höchsten Geschwindigkeiten auf der Sohlengleite treten bei hohen Abflüssen im Bereich der Station 0+310 und 0+133 auf (v = 1,35 m/s). Der kritische
Abfluss beträgt 2,03 m³/(s*m). Da auch die Neigung der Sohlengleite in die Berechnung einfließt, wurde hier der ungünstige Wert 1 : 67 gewählt.
Bemessung der Steinstabilität
Sohlengleiten mit gleichmäßiger Struktur in Schüttsteinbauweise
nach PALT & DITTRICH (2002)
Quelle:DWA-Themen; Naturnahe Sohlengleiten;Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V., Hennef; Januar 2009, S.69 ff.
umgestellt zu:
Eingangsparameter:
für Sohlengleite 1 : 67
HQ100
2,03 m³/(s*m)
67
2300 kg/m³
Dichte des Steinmateriales
qkrit =
I=
ρS =
Dichte des Wassers
ρW =
1000 kg/m³
Korndurchmesser bei 65 M-%
d65 =
0,10 m
äquivalenter Korndurchmesser
ds =
0,11 m
gewählter Korndurchmesser
d65 =
0,15 m
qkrit =
3,70 m³/(s*m)
kritischer spezifischer Abfluss
Rampenneigung
1:
Ergebnis:
Gegenprobe:
Abbildung 3-6:
Bemessung der Steinstabilität nach PALT & DITTRICH
19/26
www.idn-consult.de
Bei einem kritischen Abfluss von 2,03 m³/(s*m) und einer Rampenneigung von
1 : 67 ergibt sich ein äquivalenter Korndurchmesser von 11 cm. Für eine ausreichende Sicherheit wurde ein Deckschichtmaterial mit einem Korndurchmesser von 90 bis 250 mm mit mindestens 65 % Massenanteil mit einer Körnung
von 150 mm gewählt.
Sohlengleite sowie Anlaufbereiche und Kolke im Unterwasser werden mit dem
gleichen geschütteten Steinmaterial gesichert. Im Überfallbereich und in den
stabilisierenden, sohlengleich herzustellenden Riegeln wird größeres Material
eingesetzt, das von Hand zu setzen und gegeneinander zu verkeilen ist.
20/26
www.idn-consult.de
4 Bemessung der Bauwerke am Moordeicher Wasserzug
4.1
Schöpfwerk Moordeicher Wasserzug
Die Leistungsfähigkeit des Schöpfwerkes wird entsprechend der Leistungsfähigkeit des Gewässers ausgelegt.
Die Leistungsfähigkeit des Moordeicher Wasserzuges wurde mit dem aufgestellten 2D-Hydraulikmodell berechnet. Der bordvolle Abfluss beträgt demnach
im Unterlauf rd. 0,9 m³/s.
Als Pumpenleistung für das Schöpfwerk werden 1 bis 1,3 m³/s gewählt. Diese
Leistung ist bei der Planung des Schöpfwerkes noch zu überprüfen (s. Pkt.
4.4.3 der Erläuterungen).
4.2
Hochwasserabschlag Moordeicher Wasserzug
Ermittlung des Drosselabflusses
Die Bemessung des Abschlagsbauwerks erfolgt auf Grundlage des gewählten
Bemessungshochwassers (siehe Kapitel 1.2). Der Spitzenabfluss im natürlichen
Einzugsgebiet des Moordeicher Wasserzuges tritt demnach vor dem Beginn der
Füllung des Polderraums an der Varreler Bäke auf. Wenn der volle Einstau des
Polders erreicht ist, hat sich der Gebietszufluss zum Moordeicher Wasserzug
wieder auf rd. 0,3 m³/s verringert.
Der Hochwasserabschlag aus dem Polder zum Moordeicher Wasserzug kann
dementsprechend 0,6 m³/s betragen, ohne dass das Gewässer überlastet wird.
Die Drosselstrecke im Hochwasserabschlag soll als Rohrdurchlass (Guss) ausgeführt werden. Im Bereich der Deichkrone ist ein Schieberschacht vorgesehen,
sodass sich eine rd. 12,6 m lange Drosselstecke ergibt.
Die Wasserspiegeldifferenz an der Drossel berechnet sich für den Bemessungsfall wie folgt:
•
HW 100 im Polder:
8,35 m ü. NN
•
HW 100 im Moordeicher Wasserzug:
5,74 m ü. NN
•
Druckdifferenz:
2,61 m
21/26
www.idn-consult.de
Nachweis Kreisdurchlass
Die Leistungsfähigkeit von Kreisdurchlässen kann mit der nachstehenden Formel nachgewiesen werden (vgl. PRESS/ BRETTSCHNEIDER, Hilfstafeln zur
Lösung wasserbaulicher und wasserwirtschaftlicher Aufgaben, 10. Auflage,
Hamburg, 1974):
Qmögl.
∆h
g
d
l
kSt
=
=
=
=
=
=
ζe/ζa =
möglicher Durchfluss
Spiegeldifferenz Ober-/ Unterwasser
Erdbeschleunigung
Durchmesser des Durchlasses
Bauwerkslänge
Rauigkeitsbeiwert,
für Betonrohre gilt: kSt = 65 m1/3/s
Ein- und Austrittsverlustbeiwert
[m³/s]
[m]
[m/s²]
[m]
[m]
[m1/3/s]
[-]
Mit den oben angegebenen Randbedingungen ergeben sich die folgenden
Drosselabflüsse:
Rohrdurchmesser Bauwerkslänge Rauheitsbeiwert Spiegeldifferenz Abfluss Geschwindigkeit
[mm]
[m]
[m1/3/s]
[m]
[cbm/s]
[m/s]
400
12,60
65
2,61
0,541
4,31
500
12,60
65
2,61
0,900
4,58
Als Drosselstrecke wird ein 12,6 m langes Gussrohr DN 400 gewählt.
Im Fall eines Nachregens ist durch die Überlagerung des vollen Drosselabflusses mit dem erneuten Gebietsabfluss eine Überlastung des Moordeicher Wasserzuges denkbar. Über eine manuelle Bedienung der Schieber im Drosselbauwerk kann der Drosselabfluss in einem solchen Fall reduziert werden.
22/26
www.idn-consult.de
5 Bemessung der Bauwerke an der Varreler Graft
5.1
Schöpfwerk Varreler Graft
Die Leistungsfähigkeit des Schöpfwerkes wird entsprechend der bordvollen
Leistungsfähigkeit des Gewässers ausgelegt.
Die Leistungsfähigkeit der Varreler Graft wurde mit dem aufgestellten 2DHydraulikmodell berechnet. Der bordvolle Abfluss beträgt demnach im Unterlauf
rd. 2,9 m³/s.
Als Pumpenleistung für das Schöpfwerk werden 3 bis 3,5 m³/s gewählt. Diese
Leistung ist bei der Planung des Schöpfwerkes noch zu überprüfen (s. Pkt.
4.4.3 der Erläuterungen).
5.2
Hochwasserabschlag Varreler Graft
Abzuschlagender Abfluss
Der mögliche Hochwasserabschlag ergibt sich aus der Differenz der Leistungsfähigkeit der Varreler Graft und dem Zufluss aus dem natürlichen Einzugsgebiet
der Varreler Graft.
Die Bemessung des Abschlagsbauwerks erfolgt auf Grundlage des gewählten
Bemessungshochwassers (siehe Kapitel 1.2). Der Bemessungsabfluss aus
dem natürlichen Einzugsgebiet der Varreler Graft beträgt 2,4 m³/s (Bemessungszeitpunkt 1). Zum Zeitpunkt des Spitzenabflusses in der Varreler Bäke hat
sich der natürliche Gebietszufluss auf 1 m³/s verringert (Bemessungszeitpunkt
2).
Der Hochwasserabschlag sollte dementsprechend 0,5 m³/s (Bemessungszeitpunkt 1) bzw. 1,9 m³/s (Bemessungszeitpunkt 2) betragen.
Randbedingungen Abschlagsbauwerk
Der Abschlag zur Varreler Graft soll über ein ungesteuertes Doppelschützbauwerk erfolgen.
23/26
www.idn-consult.de
Die Wasserspiegeldifferenzen am Abschlagsbauwerk berechnen sich für den
Bemessungsabfluss wie folgt:
Bemessungszeitpunkt
1
2
•
HW 100 Varreler Bäke:
7,01 m ü. NN
7,60 m ü. NN
•
HW 100 Varreler Graft:
6,73 m ü. NN
6,68 m ü. NN
•
Wasserspiegeldifferenz:
0,28 m
0,92 m
Bemessung der Drosselöffnung - Unvollkommener Ausfluss unter Schütz
Die Breite des Schützes wurde mit 1 m gewählt.
Über die Einstellung der unteren Schütztafel wird der Mittelwasserabschlag zur
Varreler Graft bestimmt. Die bestehende Drosselblende hat eine Öffnungsgröße
von 56 x 27 cm.
Mit der gewählten Breite und dem Mittelwasserstand in der Varreler Bäke
(6,47 m ü. NN) ergibt sich bei einer Überfallhöhe von 6,34 m ü NN ein unveränderter Mittelwasserabfluss zur Varreler Graft.
Der Drosselabfluss bei einem unvollkommenen Ausfluss unter einem Schütz
berechnet sich gemäß SCHNEIDER BAUTABELLEN wie folgt:
Q = c ⋅ µ ⋅ a⋅b⋅ 2⋅ g ⋅h
[m³/s]
mit
c = Abminderungsfaktor, abhängig von h/a und hu/a
(siehe nachstehendes Diagramm)
a = lotrechte Öffnungshöhe
[m]
b = Öffnungsbreite
[m]
h = Wassertiefe bis UK-Drosselöffnung
[m]
vo = Anströmgeschwindigkeit; hier vo = O
[m/s]
µ = Abflussbeiwert, abhängig von h/a
[-]
24/26
www.idn-consult.de
Gewählt wurde eine lichte Höhe der Schützöffnung von 0,3 m. Der Hochwasserabschlag beträgt bei dieser Dimension:
•
Bemessungszeitpunkt 1:
Q = 0,6 m³/s
•
Bemessungszeitpunkt 2:
Q = 0,9 m³/s
Im Fall eines Nachregens ist durch die Überlagerung des vollen Drosselabflusses mit dem erneuten Gebietsabfluss eine Überlastung der Varreler Graft denkbar. Über eine manuelle Bedienung der Schütze im Drosselbauwerk kann der
Drosselabfluss in einem solchen Fall reduziert werden.
25/26
www.idn-consult.de
6 Bemessung der Deichhöhen
Die Hochwasserschutzplanungen beinhalten neben dem beidseitigen Deichbau
den Bau des Umfluters im Bereich des Gut Varrel, dem neu zu errichtenden
Abschlagsbauwerk zur Varreler Graft sowie den erforderlichen Drosselbauwerken und Rückstauklappen. Der Planungsraum ist in Anlage 1 dargestellt.
Durch den Bau der geplanten Hochwasserschutzmaßnahmen (Deiche, Umfluter
und Abschläge) verändern sich die hydraulische Leistungsfähigkeit, die Retentionsräume und die Hochwasserspiegel im Gewässer. Die im geplanten Zustand zu erwartenden Hochwasserstände (HQ100) wurden mittels 2D-Hydraulik
berechnet und als Bemessungsgrundlage für die Deichhöhen herangezogen.
Die berechneten Wasserspiegellagen der Varreler Bäke im Planungsraum bei
einem 100-jährlichem Abfluss sind im Längsschnitt, Anlage 5, dargestellt.
Für die geplanten Deichhöhen wurde auf den berechneten Wasserstand ein
Freibord von 50 cm hinzugefügt.
Aufgestellt:
Bearbeitet:
IDN Ingenieur-Dienst-Nord
Dr. Lange - Dr. Anselm GmbH
Dipl.-Ing. Stefan Meyer
Wasserwirtschaft
Projekt-Nr. 5088-A
Oyten, 5. Mai 2015
26/26

Download Report