Impulswellen werden hauptsächlich in Alpenrandseen, Stauseen und steilufrigen Meeresbuchten durch eintauchende Fels- und Bergstürze, Erdrutsche, Uferinstabilitäten, Schneelawinen und Gletscherabbrüche generiert. Derartige Wasserwellen ereignen sich daher oft unerwartet und stellen eine bedeutende Naturgefahr dar, weil sie oftmals ganze Uferbereiche verwüsten oder an Talsperren überschwappen. Aufgrund der steilen Uferpartien, geringen Seebreiten, potentiell grossen Rutschmassen und der andererseits vielfach exponierten Lage von Siedlungen und Wasserbauwerken ist das Risiko von Impulswellen im Alpenraum besonders hoch. Die Generierung von Impulswellen im Eintauchbereich des Rutsches und deren Propagation im Nahbereich der Wellengenerationszone wurden in einem zweidimensionalen physikalischen Modell untersucht. Die massgeblichen Rutscheigenschaften wie Form, Volumen und Eintauchgeschwindigkeit wurden durch einen Pneumatikgenerator mit eingebauter Rutschbox gesteuert, welche die granulare Rutschmasse
in einen rechteckig-prismatischen Wellenkanal beschleunigte. Die Effekte der Eintauchgeschwindigkeit, der Rutschmächtigkeit, der granularen Rutschmasse und der Ruhewassertiefe auf die resultierende Impulswelle wurden unabhängig voneinander untersucht. Einzig der Eintauchwinkel α = 45° längs der Hangneigungsrampe des Rutsches und der granulare Korndurchmesser wurden nicht variiert. Die Wellenprofile wurden von sieben kapazitiven Wellenpegeln aufgenommen, welche längs der Kanalachse in konstantem Abstand hintereinander angeordnet waren. Das turbulente Dreiphasengemisch aus Luft, Wasser und eintauchendem Granulat in der Wellengenerationszone wurde mithilfe von Particle Image Velocimetry (PIV) festgehalten, einer nicht-intrusiven Methode zur Aufnahme von instantanen Fliessgeschwindigkeitsfeldern. [...] Die aus dem physikalischen Modell hergeleiteten Dimensionierungsgleichungen wurden anhand von Feldmessungen einzelner Prototypen getestet, woraus sich eine zufriedenstellende Übereinstimmung ergab. Ausserdem wurden die Resultate aus den granularen Rutschversuchen auf Vergleichsmessungen mit starren Blöcken in demselben
physikalischen Modell angewandt. Die resultierenden Abweichungen ergaben, dass starre und kompakte Blöcke beim Eintauchen in einen ruhenden Wasserkörper grössere Impulswellen als deformierbare und poröse Rutschkörper bei sonst identischen Rutschparametern erzeugen.
Inhaltsverzeichnis
1. EINFÜHRUNG
1.1 Problemstellung
1.2 Literaturübersicht
1.2.1 Modelltypen
1.2.2 Deduktive Modelle
1.2.2.1 Grundlegende Wellentheorien
1.2.2.2 Angewandte Wellentheorien
1.2.3 Induktive Modelle
1.3 Motivation
1.4 Inhaltsübersicht
2. VERSUCHSANLAGE
2.1 Einleitung
2.2 Physikalisches Modell
2.2.1 Dimensionsanalyse
2.2.2 Modellähnlichkeit nach Froude
2.2.3 Viskosität
2.2.4 Oberfächenspannung
2.2.5 Kompressibilität
2.3 Wellenkanal
2.4 Modellgranulat
2.5 Messgeräte und Methoden
2.5.1 Allgemeines
2.5.2 Pneumatischer Rutschgenerator
2.5.3 Kapazitive Wellenpegel (CWG)
2.5.4 Laserdistanzsensoren (LDS)
2.5.4.1 Funktionsprinzip
2.5.4.2 Messung der Rutschmächtigkeit
2.5.4.3 Messung der Rutschgeschwindigkeit
2.5.5 Particle Image Velocimetry
2.5.5.1 Allgemeines
2.5.5.2 Laserlichtschnitt
2.5.5.3 Tracerpartikel
3. EXPERIMENTELLE RESULTATE
3.1 Einleitung
3.2 Maximale Amplitude
3.2.1 Ausgewählter Datensatz
3.2.1.1 Übersicht
3.2.1.2 Geschwindigkeitseffekt
3.2.1.3 Effekt der Rutschmächtigkeit
3.2.1.4 Einfluss der Rutschmasse
3.2.2 Relative Grössen
3.2.2.1 Einleitung
3.2.2.2 Eintauch-Froudezahl
3.2.2.3 Relative Rutschmächtigkeit
3.2.2.4 Relative Rutschdichte
3.2.2.5 Verdrängungszahl
3.2.2.6 Mehrfachkorrelation
3.2.3 Vollständiger VAW-Datensatz
3.2.3.1 Einleitung
3.2.3.2 Relative Maximalamplitude
3.3. Amplitudenverlauf
3.3.1 Bedeutung
3.3.2 Normierte Relativ-Amplitude
3.3.3 Anpassung der Amplitudenverhältnisse
3.3.4 Skalierung der Propagationsdistanz
3.3.5 Distanzabhängige Amplitudenkorrelation
3.3.5.1 Charakteristische Relativamplitude
3.3.5.2 Produktparameter
3.3.5.3 Grenzwertbestimmung
4. DISKUSSION DER RESULTATE
4.1 Einleitung
4.2 Anwendung der Resultate
4.2.1 Wellengenerationszone
4.2.2 Wellengenerationstypen
4.2.2.1 Überblick
4.2.2.2 Auswärts kollabierender Einschlagskrater
4.2.2.3 Rückwärts kollabierender Einschlagskrater
4.2.2.4 Kompakte Zweiphasenströmung
4.2.3 Dichteeffekt
4.2.3.1 Allgemeines
4.2.3.2 Sinkende Rutschkörper
4.2.3.3 Auftriebsbehaftete Rutschkörper
4.2.4 Wellentypen
4.2.4.1 Klassifikation
4.2.4.2 Schwallwelle
4.2.4.3 Übergangswelle
4.2.4.4 Oszillatorische Welle
4.2.4.5 Solitärwelle
4.3 Theoretische Betrachtung
4.3.1 Impulssatz
4.3.1.1 Anwendbarkeit
4.3.1.2 Impulsübertragung
4.3.1.3 Wellengeschwindigkeit
4.3.1.4 Dichte-Froudezahl
4.3.1.5 Mächtigkeits-Froudezahl
4.3.2 Einschränkungen
4.4 Vergleich mit Prototyp
4.4.1 Vierwaldstättersee
4.4.2 Lituya Bay
4.4.3 Vaiont
4.5 Modellvergleiche
4.5.1 Allgemeine Betrachtungen
4.5.2 Keilförmige Rutschkörper
4.5.3 Quaderförmige Rutschkörper
4.5.3.1 Allgemeines
4.5.3.2 Wellengenerierung
4.5.3.3 Relative Amplitudendifferenzen
4.5.3.4 Wellenprofile
5. SCHLUSSFOLGERUNGEN
5.1 Zusammenfassung der Resultate
5.2 Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht die durch Erdrutsche generierten Impulswellen in Stauseen und Seen, um das Gefahrenpotenzial dieser Phänomene besser einzuschätzen. Das primäre Ziel ist die Herleitung von Dimensionierungsgleichungen basierend auf physikalischen Modellversuchen, die verschiedene Rutschparameter wie Dichte, Geschwindigkeit und Mächtigkeit in einem zweidimensionalen Wellenkanal analysieren.
- Analyse der Wellengenerierung und Propagation bei variablen Rutschparametern.
- Einsatz von moderner Messtechnik wie Particle Image Velocimetry (PIV).
- Untersuchung von Dichteeffekten und Wellengenerationstypen.
- Validierung der experimentellen Ergebnisse anhand von historischen Prototypen (z.B. Lituya Bay, Vaiont).
- Entwicklung von empirischen und theoretischen Ansätzen zur Bestimmung der maximalen Wellenamplitude.
Auszug aus dem Buch
1.1 Problemstellung
Impulswellen sind Schwerewellen, die sich über eine freie Wasseroberfläche hinweg ausbreiten. Sie werden von dynamischen Massenbewegungen über oder unter der Wasseroberfläche verursacht. Die primären Ursachen für die Entstehung von Impulswellen sind bewegte Gesteinsmassen bei Bergrutschen und Felsstürzen sowie Schneelawinen und Gletscherkalbungen, die schlagartig in einen ruhenden Wasserkörper eintauchen. Auf den Ozeanen sind zerstörerische Gravitationswellen, welche durch impulsartige Vorgänge erzeugt werden, als Tsunami (jap. = „Hafendammwelle“) bekannt. Tsunami werden hauptsächlich durch unterirdische Seebeben, Vulkanexplosionen oder Meteoriteneinschläge an der Meeresoberfläche verursacht. Während Tsunami auf offener See Wellenlängen von mehreren 1′000 m aufweisen können, ist ihre Wellensteilheit im tiefen Wasser relativ gering, weswegen sie oft erst im Auflaufbereich erkannt werden. Hier können sich Tsunami allerdings auf Höhen von bis zu 30 m auftürmen und besitzen daher ein entsprechend hohes Schadenspotenzial.
In alpinen Regionen treten Impulswellen vorzugsweise in postglazialen Alpenrandseen mit einer statistischen Wiederkehrperiode von ca. 10 Jahren auf (Huber, 1982). Oft grenzen die Ufer dieser Alpenrandseen an steile Fels- oder Hangpartien, welche aufgrund von Temperaturschwankungen, Erdbeben oder Starkniederschlägen in Bewegung gesetzt werden. Nebst den dadurch bewirkten Felsstürzen und Hangrutschungen treten nicht selten katastrophale Lawinenniedergänge oder Gletscherabbrüche in unmittelbar benachbarte Toteisseen oder Stauhaltungen auf. Die dadurch generierten Impulswellen breiten sich rasch über das stillstehende Gewässer aus und können zur Überschwappung von Staudämmen oder im Extremfall gar zu verheerenden Dammbrüchen führen. Impulswellen werden während der Propagation über eine freie Wasseroberfläche kaum gedämpft. Bei abnehmenden Wassertiefen im gegenüberliegenden Uferbereich oder infolge konvergierender Seebuchten nehmen die Gravitationswellen sogar an Höhe zu, wodurch ausgedehnte Ufergebiete überschwemmt werden können (Müller, 1995).
Weltweit sind bei erdrutschgenerierten Wasserwellen in Norwegen, Italien, Japan, Alaska und zahlreichen anderen Orten wahrscheinlich insgesamt mehr als 20'000 Menschen ums Leben gekommen (Slingerland and Voight, 1982). Erdrutschgenerierte Impulswellen besitzen folglich ein bedeutendes Gefahrenpotenzial, das durch detaillierte Untersuchungen der rutschbedingten Merkmale dieser Wasserwellen abgeschätzt werden muss.
Zusammenfassung der Kapitel
1. EINFÜHRUNG: Diese Einleitung beschreibt die Problematik von Impulswellen durch Massenbewegungen, zeigt historische Beispiele und erläutert die Relevanz der Untersuchung für den Wasserbau.
2. VERSUCHSANLAGE: Dieses Kapitel erläutert das physikalische 2D-Modell, die Messtechnik (CWG, LDS, PIV) und die Durchführung der Versuche mit verschiedenen Rutschmaterialien.
3. EXPERIMENTELLE RESULTATE: Hier werden die Ergebnisse der Modellversuche präsentiert, insbesondere die Zusammenhänge zwischen den Rutschparametern und der maximalen Wellenamplitude.
4. DISKUSSION DER RESULTATE: In diesem Kapitel werden die Ergebnisse analysiert, Wellengenerationstypen klassifiziert und die Resultate mit Prototypen aus der Natur verglichen.
5. SCHLUSSFOLGERUNGEN: Das abschließende Kapitel fasst die wesentlichen Erkenntnisse zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftigen Forschungsbedarf.
Schlüsselwörter
Impulswellen, Erdrutsche, Wellengenerierung, Wellenpropagation, Wasserbau, physikalisches Modell, Froude-Ähnlichkeit, Particle Image Velocimetry, Wellenamplitude, Stauhaltung, Rutschdynamik, Naturgefahr, Tsunami, Wellentypen, Wellendämpfung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Dissertation im Kern?
Die Arbeit befasst sich mit der Entstehung und Ausbreitung von Impulswellen, die durch den plötzlichen Eintritt von Gesteinsmassen (Bergrutsche, Erdrutsche) in ruhende Gewässer wie Stauseen entstehen.
Welche zentralen Themen werden untersucht?
Zentral sind die physikalischen Gesetzmäßigkeiten der Wellengenerierung, die Faktoren für die maximale Wellenamplitude sowie die Ausbreitung (Propagation) dieser Wellen im Nahfeld der Eintauchstelle.
Was ist das primäre Forschungsziel?
Das Hauptziel ist die Herleitung von empirischen Dimensionierungsgleichungen, die es ermöglichen, das Gefahrenpotenzial von Rutschereignissen für Staudämme und Uferzonen präzise vorherzusagen.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Es wird ein zweidimensionales physikalisches Modell verwendet, in dem Rutschungen unter kontrollierten Bedingungen simuliert werden. Dabei kommen modernste optische Messverfahren wie PIV (Particle Image Velocimetry) zur Strömungsanalyse zum Einsatz.
Was deckt der Hauptteil der Arbeit ab?
Der Hauptteil behandelt die experimentellen Versuchsaufbauten, die systematisierte Auswertung der Daten sowie die Diskussion der Ergebnisse im Kontext bestehender Wellentheorien und physikalischer Erhaltungsgesetze (z.B. Impulssatz).
Durch welche Schlüsselwörter lässt sich das Thema zusammenfassen?
Die Arbeit lässt sich am besten mit Begriffen wie Impulswellen, Erdrutsch, Wellengenerierung, physikalisches Modell und Stauhaltung beschreiben.
Wie unterscheidet sich der Ansatz dieser Arbeit von bisherigen Modellen?
Durch den Einsatz eines pneumatischen Rutschgenerators konnte die Dynamik des Eintauchprozesses präziser erfasst werden als bei früheren Modellen, was zur Klärung widersprüchlicher Ergebnisse führte.
Welche Rolle spielt die Dichte des Rutschmaterials?
Die Dichte beeinflusst massgeblich den Eintauchvorgang und die Art der Wellenbildung, insbesondere ob ein luftgefüllter Einschlagskrater entsteht oder eine kompakte Strömungsform dominiert.
Welche praktische Anwendung haben die Ergebnisse für den Staudammbau?
Die abgeleiteten Dimensionierungsgleichungen dienen Planern von Wasserbauwerken dazu, die Sicherheitsanforderungen für Freiborde an Stauseen besser zu dimensionieren und das Risiko von Überschwappereignissen korrekt einzuschätzen.
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- Dr. sc. ETH Andreas Zweifel (Autor), 2004, Impulswellen: Effekte der Rutschdichte und der Wassertiefe, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/147247
