Wasserbauten ohne Folgeschäden
Ursache der Kolkentstehung ermittelt
Kosten der Lösung extrem niedrig
(Autor: Johannes Miersch)
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Inhaltsverzeichnis
1 Übersicht über Schäden im Wasserbau
2 Allgemeines Strömungsverhalten
3 Wasserbewegung an einer Staustufe
4 Von den Kräften des Unterdruckes gelenkte Wasserwege
5 Aggressivität der turbulenten Strömung
6 Schlussfolgerungen
7 Versuch zur Ursache der Kolkentstehung
8 Lösungsvorschlag
9 Wertigkeit der bisherigen Ermittlungen
10 Schäden im Uferbereich
11 Schäden an Sperrwerken
12 Schäden an Offshoreanlagen
13 Wirtschaftliche Besonderheiten
1 Übersicht über Schäden im Wasserbau.
Die Wissenschaft der Wasserbauer hat große Probleme mit den extremen Zerstörungen, die nach Einbauten in fließende Gewässer entstehen.
Weltweit wird seit vielen Jahren daran geforscht, diese Schäden zu begrenzen. Eine herausragende Rolle spielen dabei die großen Bauwerke wie Sperrwerke, Offshoreanlagen und Brücken, weil dort die Schäden so groß werden können, dass die Funktionssicherheit nicht mehr gewährleistet ist. Pauschal wird dabei der Kolk als gegeben hingenommen und die Forschung bemüht sich, das Innenleben der Kolke zu erforschen, um die Größe der Schäden zu begrenzen. So wurden beispielsweise beim Beginn der Errichtung der Windräder im Meer Betonfundamente eingesetzt, wie auch im Festland. Dabei entstanden folgende Schäden: Die Fundamente wurden rundum bis zu 5 m Tiefe frei gespült. Die Standsicherheit war nicht mehr gewährleistet. Die Vertiefungen mussten ständig wieder verfüllt werden. Taucher waren im ständigen Einsatz um die Standsicherheit zu gewährleisten.
Dieser extreme Erhaltungsaufwand wurde überwunden, indem die Betonfundamente durch dreifüßige Rohrfundamente ersetzt wurden, welche direkt in den Meeresboden gerammt werden. Aber auch diese Rohre werden frei gespült.
Im Internet ist in vielen Berichten zu lesen, dass bei Sperrwerken der gleiche Effekt auftritt. Beim Eider Sperrwerk wird beispielsweise das Wasser über die Fundamente der Torbefestigungen und einer anschließenden ebenen befestigten Platte von180 m Länge in die Nordsee geleitet. Nach dieser befestigten Platte hat das Wasser Löcher bis 30 m Tiefe und 150 m Länge frei gespült.
Um diese großen Kolke daran zu hindern, dass sie sich rückwärts in Richtung Fundamente vergrößern, werden diese Löcher ständig mit Sandsäcke gefüllt. Dazu werden Stückzahlen von 90 000 pro Kolk gemeldet.
Die anschließende Verwüstung reicht bis zu 600 m ins Meer.
All diese Zahlen variieren sehr, vermitteln aber doch eine gewisse Vorstellung vom Ausmaß der Schäden und den daraus entstehenden Kosten.
2 Allgemeines zum Strömungsverhalten.
Diesem üblen Zustand ist die Menschheit aber nicht ausgesetzt, wenn der gesamte Berufsverband der Wasserbauer sich einmal der elementaren Grundregeln der Physik entsinnt und die praktische Wasserbewegung beobachtet. Dies ist bei kleinen Dorfbächen sehr gut möglich. Demgegenüber ist die Sichtweite bei den Offshore Anlagen begrenzt und die Wasserbewegung durch die völlig andere Konstruktion auch schwerer zu erkennen. Beginnen wir also mit den vom Wasser abgelauschten Erkenntnissen.
Der Prozess beginnt, wenn nach einer befestigten Wasserführung, z.B. ein Rohr, das Wasser an das naturbelassene Flussbett übergeben wird. Hier entsteht bei kleinen Wassermengen eine kleine flache Mulde, der so genannte Kolk. Bei größeren Wassermengen wird aus dem Kolk ein langes total verwüstetes Flussbett. Die Ursache dieses Geschehens ist unbekannt.
Bei Wasserbauwerken ist es technisch immer möglich, die Voraussetzungen zu schaffen, dass fließendes Wasser im laminaren Zustand bleibt. Die Praxis zeigt aber auch, dass ein unbefestigtes Flussbett die gleichen Voraussetzungen hat, Wasser im laminaren Zustand fließen zu lassen.(siehe abseits von Bauwerken). Da scheint es doch logisch, diese beiden Bereiche direkt zusammenzufügen. Doch die Praxis zeigt, das funktioniert nicht. Bei dieser Anordnung wird unmittelbar nach der befestigten Wasserführung das unbefestigte Flussbett zerstört. Die Ursache dieses Geschehens liegt also zwischen beiden Systemen.
3 Wasserbewegung an einer Staustufe
Zum besseren Verständnis wird das physikalische Geschehen an einer kleinen Staustufe erläutert.
4 Von den Kräften des Unterdruckes gelenkte Wasserwege
Für die weitere Betrachtung wird noch einmal an die elementaren Grundkenntnisse der Physik erinnert.
1. Ein statischer Druck kann sich nur aufbauen, wenn eine dichte Hülle vorhanden ist. Das gilt für den Überdruck (siehe Fahrradreifen) wie auch für den Unterdruck ( Konserven).
2. Der Druck erzeugt in dieser Hülle allseitig gleiche Kräfte.
3. Jede Kraft hat eine gleich große Gegenkraft.
Sind die Kräfte ungleich, verschiebt sich das System, ( Tauziehen)
Wie im Bild 2 zu sehen ist, bildet sich unter dem Massenstrom des herabfallenden Wassers der Unterdruckbereich, aber es ist keine feste Hülle vorhanden! Ist die Darstellung im Bild 2 eine falsche Annahme? Doch wer wachen Auges Wasserläufe beobachtet, hat sicher schon bei kleinen Staustufen die Wasserwalzen gesehen, die mit den vom Unterdruck gebildeten Kräften in Verbindung mit dem Massenstrom des Wassers gebildet werden. Diese Wasserwalzen sind schon sehr lange bekannt und bei Wassersportlern gefürchtet, da immer wieder tödliche Unfälle passieren. Ein Schwimmer der von einer derartigen Wasserwalze erfasst wird, hat kaum eine Möglichkeit lebend daraus zu entkommen. Der Unterdruck ist also eine belegte Tatsache. Die Hülle muss von den umgebenden körperlichen Teilbereichen gebildet werden. So steht auf der linken Seite die massive Wand des Bauwerkes zur Verfügung, wo sich die Zugkräfte des Unterdruckes festhalten können. Die gleich großen Gegenkräfte ziehen das herunter fallende Wasser nach links und lenken es von seiner natürlichen Fallrichtung ab. Die im Bild 3 eingetragenen Pfeile sind als flächenwirksame Kräfte zu verstehen.
Das Gewicht der einzelnen Steine ist konstant, Die Kräfte des Unterdruckes variieren je nach Wassermenge. Damit werden die kleinen Steine zuerst hoch gehoben und von der Wasserwalze weggetragen. Bei größer werdender Wassermenge werden auch die größeren Steine hoch gehoben und weggespült.
5 Aggressivität turbulenter Strömung
Sehr deutlicher ist die Aggressivität der turbulenten Strömung an den Bilder 4 , 5 und 6 zu erkennen.. An der Sohle im Bild 4 wurden für die Beweglichkeit der kleinen Lebewesen einige Steine befestigt. Daraus entstand bei einem mittelschweren Hochwasser über einen Tag die turbulente Strömung ( siehe Bild 5) welche die frisch aufgebauten Steine aus der Ufermauer herauslösten.
6 Schlussfolgerung
1. Um die extrem großen Schäden am unbefestigten Flussbett zu vermeiden, muss die Entstehung der turbulenten Strömung verhindert werden.
2. Der beschriebene Unterdruck darf nicht mit dem unbefestigten Flussbett in Berührung kommen.
Am Beispiel der kleinen Staustufe sind damit die Ursachen für die Entstehung der Kolke mit den nachfolgenden Zerstörungen des unbefestigten Flussbettes erkannt, aber für die Praxis, wo die beiden Bereiche nach Bild 1 zusammengefügt werden müssen, bleibt die Ursache der Kolkentstehung weiterhin unbekannt, denn die Abrisskante ist ja abgedeckt.
7 Versuch zur Ursache der Kolkentstehung
Zur Aufklärung diese Problems wurde ein Versuch durchgeführt, bei dem die Wasserbewegung horizontal beobachtet werden konnte.
Der Versuch wurde mit einer kleinen Pumpe ( Springbrunnen ) durchgeführt, deren Wassermenge stufenlos geregelt werden konnte. Damit war die Voraussetzung gegeben, den Versuch mit unterschiedlichen Wassermengen zu fahren.
Das erstellte Video zeigte gleich zu Beginn, wie die kleinste Wassermenge sofort beginnt nach der befestigten Wasserführung die losen Bestandteile des unbefestigten Flussbettes herauszuheben und wegzuspülen. Die physikalische Eigenschaft des Wassers, nach einer Kante Unterdruck zu bilden, ist also schon bei horizontalem Gleichstand der befestigten und unbefestigten Sole wirksam. Die verdeckte Wasser- Abrisskante wird sofort frei gelegt und zeitgleich dazu entsteht der Unterdruck. Dieses Ergebnis bestätigt, dass alle Erkenntnisse mit der oben ermittelten Staustufe wirksam werden.
Deutlich erkennbar ist auch bei steigender Wassermenge, wie die ersten Steinchen unterhalb der freigelegten Abrisskante nach oben gehoben werden ( die rückwärtige Fließrichtung des Wassers bei der Entstehung der Wasserwalze). Die vollständige Ausbildung der Wasserwalze kann mit der geringen Wassermenge leider nicht erzeugt werden.
Ebenso ist die im Bild 3 dargestellte Entstehung der turbulenten Strömung mit der geringen Wassermenge nur in der Entstehungsphase zu sehen.
Als Ergebnis aus dem im Video gezeigten physikalischen Ablauf ist festzustellen, dass alle oben dargestellten theoretischen Betrachtungen vom Wasser sichtbar bestätigt wurden. Damit kann aus der gefundenen Ursache für die Kolkentstehung eine Lösung zur Schadensvermeidung abgeleitet werden.
Video über die Detailentwicklung der Zerstörungen nach einem Wasserbauwerk.
8 Lösungsvorschlag
Mit den ermittelten Kenntnissen ist der Unterdruck die zentrale Ursache für die Zerstörung des unbefestigten Flussbettes. Wenn es gelingt, den Unterdruck zu vermeiden, gibt es keine Walzenbildung, keinen Kolk, keine turbulente Strömung und keine Zerstörungen mehr.
Am Beispiel der kleinen Staustufe wurde festgestellt, dass das Wasser beim Verlassen der befestigten Unterlage unter dem folgenden freien Wasserfall einen Unterdruck erzeugt. Bei dieser konstruktiven Gestaltung ist also die letzte Betonkante die Ursache für den entstehenden Unterdruck. (Andere Konstruktionen können durchaus andere Ursachen haben) . Es muss also versucht werden diese Abrisskante zu entschärfen.
Wird der befestige Zufluss mit einer schräg nach unten führenden befestigten Platte verlängert, ändert sich der Winkel an der Abrisskante von 90 Grad auf beispielsweise 10 Grad. Damit reduziert sich auch der entstehende Unterdruck zwischen dem Wasser und der befestigten schrägen Unterlage. Ein zweiter wichtiger Effekt ist, dass sich die aus dem niedrigeren Unterdruck entstehenden niedrigeren Kräfte an der befestigten schrägen Platte festhalten können und die dazwischen liegenden Steine des aufgefüllten Schüttgutes keine physikalischen Aufgaben haben.
Durch die erreichte sukzessive Verdickung des aufgelegten Schüttgutes auf die befestigte Platte wird automatisch das normale Tragverhalten der unbefestigten Sole erreicht, ohne dass dabei die laminare Strömung in die turbulente Strömung umschlägt.
Bild 7 Lösungsprinzip, um laminar fließendes Wasser von einer befestigten Unterlage auf eine unbefestigte Unterlagen im laminaren Zustand zu übergeben.
Video mit dem Lösungsprinzip gemäß Bild 7
9 Wertigkeit der bisherigen Ermittlungen.
Alle bisher dargestellten physikalischen Zusammenhänge haben Grundsatzcharakter. Sie gelten nicht nur für die Sole kleiner Fließgewässer,
sondern überall dort, wo bewegtes Wasser mit Bauteilen aller Art in Berührung kommt .
10 Schäden im Uferbereich
Im Uferbereich treten die gleichen Schäden auf wie an der Flusssole, wenn der erhöhte Wasserstand diese Bereiche überflutet (Bild 8). Die physikalische Ursache dieser Schäden ist identisch mit den beschriebenen Schäden im Solebereich, so dass auch mit dem gleichen Lösungsprinzip die Schäden vermieden werden können. Zu beachten ist dabei, dass die schräg in das Ufer einzuarbeitenden Platten stufenförmig angeordnet werden, um das aufzuschüttende lose Ufermaterial gegen Abrutschen schützen zu können.
Bild 8 Schäden im Uferbereich
11 Schäden an Sperrwerken
Physikalisch bestehen bei Stauwerken die absolut gleichen Bedingungen, wie bei der Sole der Fließgewässer. Der Unterschied besteht im wesentlichen in der ständig fließenden großen Wassermenge. Nach dem befestigten Auslaufbereich ohne Schräge, wie sie beim Eidersperrwerk beschrieben wurde, reist die Strömung ab, der Unterdruck entsteht, der entstandene Kolk gräbt sich in die Tiefe und rückwärts unter die befestigte Auslaufverlängerung. Zum Schutz der Torfundamente muss deshalb dieser riesengroße Kolk ständig wieder aufgefüllt werden.
Die Vorstellung, dass diese Schäden mit der befestigten Schräge und dem darauf liegenden Meeresboden nach Bild 8 verhindert werden können, erscheint fast märchenhaft, aber was steht dagegen? Es sollten in jedem Fall Versuche mit größeren Wassermengen gemacht werden, um eventuelle noch nicht bekannte Nebeneffekte aufzudecken.
12 Schäden an Offshore Anlagen
Im Bild 9 ist eine Offshore Anlage skizziert, die noch auf einem Betonfundament der früheren Bauart ruht.
Aber dabei muss zusätzlich die Besonderheit des vertikalen Hauptmastes beachtet werden.
Betrachtet man ein senkrecht im fließenden Wasser stehendes Rohr, so erkennt man in Fließrichtung nach dem Rohr zwei senkrecht stehende Wasserwalzen. Erzeugt werden diese Wasserwalzen durch die Kräfte des Unterdruckes der sich nach dem Rohr in Fließrichtung bildet. Hier ist zwar keine Abrisskante vorhanden, aber die Strömung reißt durch die große Wassergeschwindigkeit nach der größten Breite des Rohres auf beiden Seiten ab und es entsteht der Unterdruck Die Kräfte des Unterdruckes wirken auch hier allseitig und heben den unbefestigten Meeresboden an den unteren Stirnseiten der zwei Wasserwalzen nach oben.
Bild 9 Offshore Anlage mit Betonfundament
Bei den Offshore Anlagen entstehen also zwei voneinander unabhängige Unterdruckbereiche. Davon könnte der vom Fundament ausgehende mit der im Bild 7 angedeuteten befestigten Übergangsfläche beseitigt werden. Eine Verhinderung des Unterdruckes nach dem vertikalen Hauptmast scheint aber kaum möglich. Dafür bietet sich die Möglichkeit an, die Wirksamkeit dieses Unterdruckes auf den Meeresboden zu unterbinden, indem die genannte Übergangsfläche so groß gemacht wird, dass der gesamte Unterdruckbereich vom Hauptmast abgedeckt wird.
Das funktioniert aber nur in der einen dargestellten Fließrichtung. Die unterschiedlichen Fließrichtungen des Meerwassers erfordern eine allseitige Abdeckung und diese ist mit einem kegelförmigen Ring bis in den Meeresboden am einfachsten zu realisieren. Dazu bietet sich ein kreisförmiges Fundament an.
Die inzwischen umgestellte Fundamentgestaltung auf drei in den Meeresboden gerammte Rohre bringt zwar eine große Standsicherheit der Anlage, ist aber auch mit hohen Kosten verbunden. Die Kolke an den drei Ankerrohren sind mit der kegelförmigen Abdeckung, wie beim Hauptmast beschrieben zu verhindern.
Das gleiche physikalische Prinzip ist auch bei Brückenpfeilern anwendbar. Der kegelförmige Schutzring wird aber nur auf der abfließenden Seite benötigt. Bei der konstruktiven Anpassung dieses Schutzstreifens an die spezielle Form des Brückenpfeilers muss aber unbedingt sichergestellt werden, dass der entstehende Unterdruck an keiner Stelle mit der unbefestigten Flussbettsole in Berührung kommt.
13 Wirtschaftliche Besonderheiten
Die im Bild 7 beschriebene Lösung ist inzwischen 10 Jahre in einem Fließgewässer eingebaut. In dieser Zeit sind keine Vertiefungen entstanden. Das Wasser wird auch bei Hochwasser laminar vom befestigten Untergrund auf das unbefestigte Flussbett übergeben. Installationsaufwand ca. 100 Euro. Erhaltungskosten 0 Euro.
Nach der 1994 gebauten Brücke sind bei jedem Hochwasser Totalschäden auf eine Länge von 28 m nach der Brücke eingetreten. Rekonstruktionsmaßnahmen in den folgenden 20 Jahren ca. 440 000 Euro .
Alle informierten wissenschaftlichen Institutionen und staatlichen Einrichtungen verweigern seit 10 Jahren die Nutzung des dargelegten elementaren Grundwissens der Physik.