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
- Einleitung
- Motivation
- Sicherheitsbetrachtung von Stauanlagen
- Ansicht einer Sicherheitsgesellschaft
- Ansicht einer Risikogesellschaft (Risikomanagement)
- Sicherheitsbetrachtung in Österreich
- Gliederung der Diplomarbeit
- Historische Versagensereignisse
- Allgemein
- Bruch des Sadd-el-Kafara Dammes (Ägypten)
- Bruch des Oros-Dammes (Brasilien)
- Bruch des Teton-Dammes (Idaho, USA)
- Bruch des Ringdammes Taum Sauk (Missouri, USA)
- Versagensursachen
- Allgemein
- Häufigkeit der Versagensursachen
- Überströmen
- Durchströmen und Dichtungsprobleme
- Grundbruch und andere strukturelle Probleme
- Sabotage
- Versagensformen aus technischer Sicht
- Geotechnisches Versagen
- Geohydraulisches Versagen
- Hydraulisches Versagen (progressiver Erosionsbruch)
- Allgemein
- Versagensphasen des Erosionsbruches
- Erosionsprozesse
- Sohlerosion
- Seitenerosion
- Breschenentwicklung im Längsschnitt nach Sametz
- Ansätze für die Berechnung des Erosionsbruches
- Allgemein
- Empirische Lösung
- Analytische Lösung
- Plötzlicher Dammbruch nach Ritter
- Analytische Lösung nach Broich
- Parametermodelle
- Numerische Modelle
- Allgemein
- Programm 2dMb der VAW der ETH ZÜRICH
- Beschreibung des Programmes
- Zu kalibrierende Parameter
- Programmstruktur
- Kalibrierung des Programms 2dMb durch die Versuche von Sametz
- Aufgabenstellung
- Versuche von Sametz an der TU GRAZ
- Versuchsaufbau der Versuchsreihe
- Versuchsergebnisse
- Berechnungen mit 2dMb
- Modellierung von Versuchsgerinne und Damm
- Voruntersuchungen
- Allgemein
- Geometrische Bedingungen und Rechennetz
- Rauheitsbelegung
- Material (Rauheit und Korndurchmesser)
- Kornklassen
- Porosität
- Variation des anfänglichen Überstaus
- Dammzonierung und Simulation der Dichtung
- Kalibrierung des Modells 2dMb
- Vorgangsweise der Kalibrierung
- Simulation mit Transportformel nach Meyer-Peter-Müller
- Abflussganglinien
- Sohlerosionsverlauf und Wasserspiegelverlauf
- Beurteilung
- Simulation mit Transportformel nach Meyer-Peter-Müller modifiziert nach Hunziker
- Abflussganglinien
- Sohlerosionsverlauf und Wasserspiegelverlauf
- Beurteilung
- Simulation mit Transportformel der VAW (ETH ZÜRICH)
- Abflussganglinien
- Sohlerosionsverlauf und Wasserspiegelverlauf
- Beurteilung
- Zusammenfassende Beurteilung der Kalibrierungsberechnungen
- Validierung des Programms 2dMb mit Großfeldversuchen in Norwegen
- Allgemein
- Versuche am Røssvatn-Damm
- Allgemein
- Versuchsaufbau und -gelände
- Messeinrichtungen
- Versuchsaufbau von Versuch 1-03
- Versuchsdurchführung und Versuchsergebnisse
- Aufbereitung und Interpretation der Versuchsergebnisse
- Berechnung mit 2dMb
- Speicherraum und Damm
- Netzgeometrie
- Hydraulische Randbedingungen
- Zwegeteilte Modellierung des Dammquerschnittes
- Korndurchmesser und Rauheit
- Simulation mit den Winkeln 75-38-15
- Simulation mit den Winkeln 80-50-15
- Dreidimensionale Darstellung der Dammbruchsimulation mit den Winkeln 80-50-15
- Beurteilung der Ergebnisse der Validierung
- Dammbruchsimulation Projekt Speicherkraftwerk Kühtai
- Allgemein
- Projektbeschreibung
- Der Ausbau der Kraftwerksgruppe Sellrain-Silz
- Speicher Kühtai
- Stauamm Kühtai
- Allgemein
- Dammaufbau
- Dichtungskern (Zone 1)
- Filterzonen (Zone 2)
- Stützkörper (Zone 3, 4a und 4)
- Steinsatz (Zone 5)
- Problemstellung
- Berechnungen mit 2dMb
- Berechnungsparameter und Eingangsdaten
- Netzstudie
- Parameterstudie
- Allgemein
- Definition der Zellengeometrie
- Definition von Korndurchmesser und Rauheiten
- Untersuchung zur Berücksichtigung des Felsuntergrundes
- Parameteruntersuchung Zonierung
- Zone 3 auf der Luftseite
- Zone 4 auf der Luftseite
- Homogener Damm aus Zone 4
- Parameteruntersuchung kritische Winkel der Böschungsstabilität
- Änderung Speicherinhalt - Extremszenarien
- Dammbruchprognose Kühtai mit dem feinen Rechennetz
- Beurteilung der Berechnungsergebnisse der numerischen Simulation
- Vergleich der Ergebnisse aus anderen Berechnungsmodellen
- Vergleich mit der Analytischen Lösung nach Broich
- Vergleich mit der Lösung aus dem Parametermodell von Sametz
Zusammenfassung und Ausblick
Schlüsselwörter
Dammbruch, Erosionsbruch, Staudamm, numerische Simulation, Flachwassermodell, 2dMb, Meyer-Peter-Müller, Kalibrierung, Validierung, Speicherkraftwerk Kühtai
- 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
