Seit dem Zeitalter der frühen Hochkulturen Mesopotamiens und Ägyptens werden Stauanlagen errichtetet. Durch Fehler in Planung, Bau oder Betrieb sowie unerwartete extreme Hochwässer kam es in der Geschichte immer wieder zum Versagen von Talsperren mit teils verheerenden Folgen. Da allerdings heute vor allem in Europa höchste Sicherheitsstandards eingehalten werden, ist das Versagen einer Talsperre äußerst unwahrscheinlich geworden. Andererseits werden aufgrund der Tatsache, dass ein Versagen niemals absolut ausgeschlossen werden kann, Untersuchungen der Auswirkungen eines Dammbruches behördlich gefordert. Maßgebliche Grundlage dieser Untersuchungen ist die Bestimmung einer Ausflussganglinie infolge eines Dammbruches.
Das Ziel dieser Diplomarbeit ist, die Ausflussganglinie des Dammbruches für den Staudamm des geplanten Speicherkraftwerks Kühtai zu bestimmen, die dann für die Flutwellensimulation verwendet werden kann.
Während bei Staumauern von einem plötzlichen Versagen ausgegangen werden kann, versagen Dämme langsamer. Diese Art des Dammversagens wird auch progressiver Dammerosionsbruch genannt. Es gibt bisher bereits ein- und mehrdimensionale Berechnungsmodelle, mit denen der progressive Erosionsbruch simuliert werden kann.
In dieser Arbeit wird das Flachwasser-Fluidmechanik-Programm 2dMb der ETH ZÜRICH verwendet, mit dem eine veränderliche Sohle simuliert werden kann. In der Diplomarbeit wird das Programm zuerst an bereits durchgeführten Modellversuchen kalibriert und dann an einem Großfeldversuch validiert, wobei sich erstaunlich gute Übereinstimmungen der Ergebnisse mit den Versuchsdaten ergeben. Dies zeigt, dass das Modell für Dammbruchprognosen verwendet werden kann.
Mit den gefundenen Einstellungen wird dann der Dammbruch für den Staudamm des geplanten Speicherkraftwerks Kühtai berechnet und eine Parameterstudie erstellt. Es wurde deutlich, dass es zwar eine gewisse Unsicherheit und Unschärfe im Ergebnis gibt, letzteres aber doch recht gut eingegrenzt werden kann. Abschließend wird das Ergebnis mit anderen Berechnungsmethoden verglichen.
Es wurde ersichtlich, dass das Programm u.a. hinsichtlich Netzgenerierung noch weiter entwickelt werden könnte. Weitere großmaßstäbliche Dammbruchversuche wären eine hilfreiche Grundlage dazu.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Sicherheitsbetrachtung von Stauanlagen
1.2.1 Ansicht einer Sicherheitsgesellschaft
1.2.2 Ansicht einer Risikogesellschaft (Risikomanagement)
1.2.3 Sicherheitsbetrachtung in Österreich
1.3 Gliederung der Diplomarbeit
2 Historische Versagensereignisse
2.1 Allgemein
2.2 Bruch des Sadd-el-Kafara Dammes (Ägypten)
2.3 Bruch des Oros-Dammes (Brasilien)
2.4 Bruch des Teton-Dammes (Idaho, USA)
2.5 Bruch des Ringdammes Taum Sauk (Missouri, USA)
3 Versagensursachen
3.1 Allgemein
3.2 Häufigkeit der Versagensursachen
3.2.1 Überströmen
3.2.2 Durchströmen und Dichtungsprobleme
3.2.3 Grundbruch und andere strukturelle Probleme
3.2.4 Sabotage
3.3 Versagensformen aus technischer Sicht
3.3.1 Geotechnisches Versagen
3.3.2 Geohydraulisches Versagen
3.3.3 Hydraulisches Versagen (progressiver Erosionsbruch)
3.3.4 Erosionsprozesse
3.3.5 Breschenentwicklung im Längsschnitt nach Sametz
4 Ansätze für die Berechnung des Erosionsbruches
4.1 Allgemein
4.2 Empirische Lösung
4.3 Analytische Lösung
4.3.1 Plötzlicher Dammbruch nach Ritter
4.3.2 Analytische Lösung nach Broich
4.4 Parametermodelle
4.5 Numerische Modelle
4.5.1 Allgemein
4.5.2 Programm 2dMb der VAW der ETH ZÜRICH
5 Kalibrierung des Programms 2dMb durch die Versuche von Sametz
5.1 Aufgabenstellung
5.2 Versuche von Sametz an der TU GRAZ
5.2.1 Versuchsaufbau der Versuchsreihe
5.2.2 Versuchsergebnisse
5.3 Berechnungen mit 2dMb
5.3.1 Modellierung von Versuchsgerinne und Damm
5.3.2 Voruntersuchungen
5.3.3 Dammzonierung und Simulation der Dichtung
5.4 Kalibrierung des Modells 2dMb
5.4.1 Vorgangsweise der Kalibrierung
5.4.2 Simulation mit Transportformel nach Meyer-Peter-Müller
5.4.3 Simulation mit Transportformel nach Meyer-Peter-Müller modifiziert nach Hunziker
5.4.4 Simulation mit Transportformel der VAW (ETH ZÜRICH)
5.4.5 Zusammenfassende Beurteilung der Kalibrierungsberechnungen
6 Validierung des Programms 2dMb mit Großversuchen in Norwegen
6.1 Allgemein
6.2 Versuche am Røssvatn-Damm
6.2.1 Allgemein
6.2.2 Versuchsaufbau und -gelände
6.3 Berechnung mit 2dMb
6.3.1 Speicherraum und Damm
6.3.2 Netzgeometrie
6.3.3 Hydraulische Randbedingungen
6.3.4 Zweigeteilte Modellierung des Dammquerschnittes
6.4 Beurteilung der Ergebnisse der Validierung
7 Dammbruchsimulation Projekt Speicherkraftwerk Kühtai
7.1 Allgemein
7.2 Projektbeschreibung
7.2.1 Der Ausbau der Kraftwerksgruppe Sellrain-Silz
7.2.2 Speicher Kühtai
7.2.3 Staudamm Kühtai
7.3 Problemstellung
7.4 Berechnungen mit 2dMb
7.4.1 Berechnungsparameter und Eingangsdaten
7.4.2 Netzstudie
7.4.3 Parameterstudie
7.4.4 Dammbruchprognose Kühtai mit dem feinen Rechennetz
7.5 Beurteilung der Berechnungsergebnisse der numerischen Simulation
8 Vergleich der Ergebnisse aus anderen Berechnungsmodellen
8.1 Vergleich mit der Analytischen Lösung nach Broich
8.2 Vergleich mit der Lösung aus dem Parametermodell von Sametz
9 Zusammenfassung und Ausblick
A1 Übersicht einiger Berechnungsmethoden
A2 Beispiel der Inputfiles für eine Simulation mit 2dMb
A3 MATLAB® - Routinen
A4 Vergrößerte Darstellungen wichtiger Berechnungsergebnisse
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit befasst sich mit der numerischen Simulation des progressiven Dammerosionsbruchs bei Steinschüttdämmen. Ziel ist die Bestimmung der Ausflussganglinie des geplanten Staudamms Kühtai, um diese für die Simulation nachfolgender Flutwellen zu nutzen.
- Numerische Simulation mit dem Flachwasser-Programm 2dMb
- Analyse historischer Dammbruchereignisse und Versagensursachen
- Kalibrierung des Modells anhand experimenteller Labor- und Feldversuche
- Parameterstudie und Netzstudie zur Validierung der Prognose
- Vergleich der numerischen Ergebnisse mit analytischen und empirischen Modellen
Auszug aus dem Buch
3.3.3.2 Versagensphasen des Erosionsbruches
Bruchauslösephase (Breach initiation) Am Anfang strömen geringe Mengen Wasser über die Dammkrone oder durch die Initialbresche, ähnlich einem Wehr. Falls die Abflusstiefe unter der kritischen Abflusstiefe liegt, kommt es zu keiner nennenswerten Erosion, der Damm versagt nicht. Wird der kritische Abfluss und damit die kritische Sohlschubspannung überschritten, beginnt der Materialtransport, der anfangs noch sehr langsam fortschreitet, bis die Erosion die wasserseitige Böschung erreicht hat. Da sich der Wasserspiegel im Reservoir durch das Ausfließen absenkt, kann in dieser Phase bei entsprechend geringem Speicherinhalt innerhalb der Überströmhöhe die Erosion noch zum Erliegen kommen (Høeg and Valstad, 2007).
Breschenbildungsphase (Breach formation) Hat die Erosion die Wasserseite erreicht, beginnt sich in Folge die „Überfallkante“ abzusenken und somit die Überfallhöhe zuzunehmen (Effekt der positiven Rückkopplung). Nun setzt die progressive oder fortschreitende Erosion ein, die den totalen Dammbruch zur Folge hat. Der Abfluss nimmt rapide zu, die Strömung wird extrem turbulent. Die Suspension weist in dieser Phase eine sehr hohe Konzentration auf, vergleichbar mit der eines Murganges.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Motivation und theoretische Einordnung der Sicherheitsbetrachtung von Stauanlagen.
2 Historische Versagensereignisse: Analyse konkreter Dammbrüche der Vergangenheit und deren statistische Auswertung.
3 Versagensursachen: Beschreibung der physikalischen Prozesse sowie Einordnung technischer Versagensformen.
4 Ansätze für die Berechnung des Erosionsbruches: Vorstellung verschiedener empirischer, analytischer und numerischer Modellierungsansätze.
5 Kalibrierung des Programms 2dMb durch die Versuche von Sametz: Durchführung der Modellanpassung anhand von Labordaten.
6 Validierung des Programms 2dMb mit Großversuchen in Norwegen: Überprüfung der Modellqualität anhand von realen Feldversuchsdaten.
7 Dammbruchsimulation Projekt Speicherkraftwerk Kühtai: Durchführung der eigentlichen Prognose für das Projekt Speicherkraftwerk Kühtai.
8 Vergleich der Ergebnisse aus anderen Berechnungsmodellen: Gegenüberstellung der numerischen Ergebnisse mit alternativen mathematischen Berechnungsmethoden.
9 Zusammenfassung und Ausblick: Resümee der Ergebnisse und Identifikation zukünftiger Entwicklungspotenziale für das Modell.
Schlüsselwörter
Dammbruch, progressive Erosion, Staudamm, Numerische Simulation, 2dMb, Ausflussganglinie, Speicher Kühtai, Sedimenttransport, Böschungsstabilität, Überströmung, Flutwellenberechnung, Kalibrierung, Validierung, Geohydraulik, Wasserbau.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Diplomarbeit behandelt die numerische Simulation des Dammbruchs von Steinschüttdämmen, um die daraus resultierende Ausflussganglinie als Basis für nachfolgende Flutwellenanalysen zu bestimmen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Schwerpunkte liegen auf der Analyse der Versagensmechanismen (insbesondere des progressiven Erosionsbruchs), der Kalibrierung und Validierung numerischer Simulationswerkzeuge sowie der praktischen Anwendung auf ein spezifisches Staudammprojekt.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Ziel ist die Bestimmung der Ausflussganglinie für den geplanten Staudamm Kühtai unter Berücksichtigung verschiedener Szenarien, um die Auswirkungen eines potenziellen Dammversagens bewerten zu können.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird das zweidimensionale Finite-Volumen-Flachwassermodell 2dMb der ETH Zürich eingesetzt, welches speziell an Modell- und Feldversuchen kalibriert und validiert wurde.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Aufarbeitung der Erosionsprozesse, die methodische Kalibrierung des Modells, die Validierung mit norwegischen Großfeldversuchen sowie die konkrete Anwendung auf das Speicherkraftwerk Kühtai inklusive einer Sensitivitätsanalyse.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Dammbruch, numerische Simulation, 2dMb, Ausflussganglinie, progressive Erosion, Speicherkraftwerk Kühtai.
Inwiefern beeinflusst der Felsuntergrund die Simulation?
Die Berücksichtigung der realen Felsoberfläche ist relevant, da sie die Erosionspfade an den Talflanken beeinflusst, auch wenn die strömungsinduzierte Erosion durch den Befehl "fix_bed" kontrolliert wird.
Warum wird zwischen dem "Standardfall" und Extremszenarien unterschieden?
Die Simulation von Extremszenarien (z.B. bei Kronenstau) dient dazu, die Sicherheitsreserven und die Bandbreite möglicher Auswirkungen bei höchst unwahrscheinlichen Ereigniskombinationen zu erfassen.
- Quote paper
- Jonas Stecher (Author), 2010, Ein Beitrag zur numerischen Simulation des progressiven Erosionsbruches bei Steinschüttdämmen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/147797
