Jahresbericht 2001
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JAHRESBERICHT 2001 Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich Direktor: Prof. Dr.-lng. H.-E. Minor Adresse: Gloriastrasse 37-39 8006 Zürich Telefon: +41 1 632 40 91 Postadresse: Telefax: +41 1 632 11 92 ETH-Zentrum e-mail: [email protected] 8092 Zürich Internet: http://www.vaw.ethz.ch VORWORT Die Anforderungen - man kann auch sagen die Bedürfnisse der Gesellschaft - an die Forschung, wandeln sich mit der Zeit. Im Bereich des Wasserbaus war in den letzten Jahren festzustellen, dass das Thema Schutz vor Naturgefahren eine grössere Bedeutung bekommen hat. Dies hängt mit den steigenden Schäden und einer Häufung der Ereignisse während der letzten Jahre in der Schweiz zusammen. Bei der Planung und Realisierung der zu treffenden Massnahmen, welche die Schäden zu begrenzen suchen, kommt dem Prozessverständnis entscheidende Bedeutung zu. In einer Reihe von Grundlagenforschungsprojekten versuchen wir, ein besseres Verständnis der Vorgänge zu gewinnen, und für spezielle Situationen erarbeiten wir in der Praxis umsetzbare Lösungen. Häufig ergeben sich aus der Bearbeitung konkreter Projekte wieder Fragestellungen für die Grundlagenforschung. Im Ausland ist eine andere Tendenz erkennbar. Die Ressource Wasser wird knapp und muss sorgfältig bewirtschaftet werden. Die Wasserkraft stellt für viele sich entwickelnde Länder eine wichtige Energiequelle dar. Daraus ergibt sich ein bedeutender Bedarf an grossen Wasserbauprojekten und deren Planung. Diese Entwicklung wird durch die Privatisierung im Energiebereich eher unterstützt als gebremst. Der konstruktive Wasserbau wird wieder mehr gefragt. Dies schlägt sich auch in der Namensänderung einer der grössten internationalen Verbände nieder. Die IAHR hat das Engineering in ihren Namen aufgenommen und nennt sich nun International Association of Hydraulic Engineering and Research. Wir sind froh sagen zu können, dass wir beide Bereiche - Schutz vor Naturgefahren und Konstruktiven Wasserbau - konsequent weiterentwickelt haben und damit für die uns gestellten Aufgaben gerüstet sind. An dieser Stelle möchte ich mich bei allen bedanken, mit denen wir im vergangenen Jahr zusammenarbeiten durften, die unsere Forschungsprojekte finanziert oder uns interessante Aufgaben zur Lösung übertragen haben. Allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der VAW danke ich für die gute Arbeit, die sie im abgelaufenen Jahr geleistet haben. Zürich, im März 2002 INHALT Seite 1. Forschung 7 1.1 Hydraulik 7 1.2 Wasserbau 18 1.3 Flussbau 29 1.4 Numerik 46 1.5 Glaziologie 50 2. lehre 64 2.1 Professur für Wasserbau und affilierte Lehraufträge 64 2.2 Lehraufträge für Glaziologie an der ETHZ 68 2.3 Diverses 69 3. Veranstaltungen 70 3.1 Nachklärbecken-Treffen 70 3.2 Öffentliche Kolloquien an der VAW 70 4. Personelles 72 ANHANG 74 A.1 Grundlagenforschung 74 A.2 Angewandte Forschung 76 A.3 Mitarbeit in Kommissionen 81 A.4 Wissenschaftliche Publikationen 83 A.5 Vorträge von Mitarbeitern der VAW 87 A.6 Organigramm der VAW 94 ---- ·------- 7 1. Forschung 1.1 Hydraulik Luftaustrag aus Hochgeschwindigkeitsabflüssen Im zweiten Jahr des dreijährigen Forschungsprojektes unterstützt vom Nationalfondsprojekt Schweizerischen Nationalfonds (Jahresbericht 2000) wurden die Projektleiter: Prof. Dr. W.H. Hager experimentellen Untersuchungen weitergeführt. Die installierte Doktorand: K. Kramer Messtechnik und die Automatisierung wurden aufeinander abgestimmt. Parallel zu den Vorversuchen konnte die Software der faseroptischen Messtechnik (RBI Grenoble) auf die automatische Auswertung angepasst und erweitert werden. Der vom IDM angegebene Durchfluss Qwwurde mit über Querschnitte integrierten Gemischgeschwindigkeiten errechneten Durchflüssen verglichen und Abweichungen von höchstens 5 % festgestellt. Der Luftdurchfluss o. wurde analog mittels den gemessenen lokalen Gemischgeschwindigkeiten und Luftkonzentrationen überprüft. Die dabei errechneten Abweichungen waren von gleicher Grössenordnung wie beim Wasserdurchfluss. Zur Untersuchung der Massstabseffekte wurden Modellfamilien analysiert. Das Ziel war, die Genauigkeit von Vorhersagen vom Modell auf die Natur anhand des Modellgesetzes von Froude zu überprüfen. Hierbei ergaben zu geringe Abflusstiefen im Modell im Verhältnis zu grosse Blasen, und demnach Massstabseffekte. Aus diesem Grund werden die Experimente mit möglichst grossen Durchflüssen und Abflusstiefen gefahren. Die belüftete Hochgeschwindigkeitsströmung wurde mittels zweier Methoden erzielt: (1) Zugabe von Druckluft im Zuflussrohr und (2) Schussrinnen-Belüfter im eigentlichen Kanal (Abb. 1) Abb. 1: Belüfter im Versuchskanal mit Qw = 200.0 l/s, o. =30 .0 l/s, h0 =6.0 cm. 8 Erste Ergebnisse für eine Schussrinnenneigung von 1O % (Abb. 2) zeigen, dass die Forderung nach 5-8% Bodenluftkonzentration zur Vermeidung von Kavitationsschäden (Peterka 1953) nur über eine sehr kurze Distanz vom Belüftungspunkt stromab erfüllt werden kann. Da sich diese Aussage aber auf mittlere Luftkonzentrationen bezieht, ist eine genauere Definition der benötigten Bodenluftkonzentration erforderlich. 20 40 60 W 100 1W 1~ 160 160 X= x/h90u Abb. 2: Typische Luftkonzentrationsverteilung C(X, Z) entlang des Kanals normiert auf die Gemisch-Normalabflusstiefe h00, bei C = 0.9, für Q w = 192.6 l/s, O. = 45.8 l/s, h0 = 5.0 cm, hGOu = 6.5 cm, F = 11.0, R = 3.9*105, W = 202.5. Impulswellen - Einflüsse von Dichte, Rutschungswinkel und Wassertiefe Nationalfondsprojekt Mit einer CCD-Kamera wird während des Eintauchprozesses der Projektleiter: Rutschmasse eine instantane Abfolge von Doppelrahmenbildern mit der Prof. Dr. W.H. Hager Doktorand: A. Zweifel Frequenz von 15 Hz aufgenommen. Die durch die Verwendung eines Kreuzkorrelationsalgorithmus erfolgende Auswertung der PIV Bildsequenz ergibt ein aus Vektorpfeilen bestehendes Raster, welches die Geschwindigkeitsverteilung an der Rutschfront und in dem ihr vorgelagerten Wellenbereich darstellt. Hinter der Rutschfront bildet sich aufgrund der Trägheit des verdrängten Wassers und dem mit einem Wellenbrecher verbundenen Lufteintrag ein mit Luft gefüllter Separationshohlraum aus. Dieser zerfällt schliesslich wieder nach der Auftrennung des anfänglichen Wellenbrechers in eine vorwärts propagierende Hauptwelle und eine sich rückwärts bewegende Sekundärwelle unter dem Gewicht des rückfliessenden Wassers. 9 Abb. 3: Geschwindigkeitsverteilung im Eintauchbereich eines Rutschkörpers 3 (Rutschgeschwindigkeit v "" 5 m/s, Dichte P. = 2.64 g/cm , Wassertiefe h = 300 mm, Rutschflächenneigung w= 45°. Links im Bild befindet sich die durch den Laserlichtschnitt in der Kanalmitte beleuchtete Rutschfront. Die punktierte Linie markiert die Grenze zwischen Wasser und Rutschfront und deren Fortsatz in Form eines Wellenbrechers in der oberen Bildhälfte. Am Versuchsstand wurde das Linsensystem für eine maximale Aufweitung des im Eintauchbereich der Rutschmasse erzeugten Laserlichtschnitts um ca. 1 m kanalabwärts verschoben. Zugleich erfolgte die vorläufige Entfernung des am Kanalende situierten Wellenkeils zur Modellierung des am geneigten Ufer in der Endausbreitungsphase von Impulswellen stattfindenden Auflaufprozesses. Mit unterschiedlichen, aufgrund eines ferngesteuerten Pneumatikgenerators realisierten Massenbeschleunigungen wurden erste Modellversuche für Erdrutsche mit einem schweren Material der Dichte p, = 2.64 g/cm 3 durchgeführt, welche in der Folge mit analogen Versuchen zu Schnee- und Eislawinen mit einem leichteren Material der Dichte p, = 0.95 g/cm 3 verglichen werden sollen. 10 Bei gemessener Eintauchgeschwindigkeit der im physikalischen Modell verwendeten Granulatrutschmasse von ca. 6-7 m/s sowie einer Wassertiefe von 300 mm und einem Neigungswinkel der Rutschfläche von 45° zeigt die von den Wellenkapazitätsmesspegeln (CWG) aufgezeichnete Amplitude eine starke Abnahme in der Ausbreitungsrichtung. Dieses Resultat ist teilweise den bei hoher Rutschgeschwindigkeit auftretenden und mit akutem Lufteintrag verbundenen Wellenbrechern zuzuschreiben. Die über die Amplitude der erzeugten Impulswelle definierte Wellenenergie erfährt somit unmittelbar nach der Impulsübertragung durch die schlagartig eintauchende Rutschmasse eine bedeutende Reduktion entlang ihres Ausbreitungsweges. Im Gegensatz zur variablen Amplitude liegt die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle nahezu konstant zwischen 2 und 3 m/s und lässt sich rechnerisch mit guter Näherung aus der am ersten Wellenpegel gemessenen maximalen Amplitude herleiten. Der berechnete Energieumwandlungsgrad zwischen Erdrutsch und Impulswelle fällt mit durchschnittlich 14% ebenfalls sehr gross aus, währenddem Resultate aus vergleichbaren Modellversuchen in der Vergangenheit für entsprechende Froude Zahlen der Rutschmasse (F. = 4.1) einen Energieumwandlungsgrad von höchstens 5% ergaben. Berührungslose Durchflussmessung bei Hochwasser in Flüssen Projekt 'Doktorieren Ein effizienter Hochwasserschutz verlangt Kenntnisse über Extrem an der anderen Ereignisse. Durch die statistische Auswertung dieser Informationen ist es Hochschule' Projektleiter: möglich, einen Dimensionierungsdurchfluss zu ermitteln. Die aktuellen Prof. Dr. W.H. Hager Flügelmessungen ermöglichen leider oft keine Ermittlung des Doktorand: 0. Baud Durchflusses bei Hochwasser, da Geschiebetransport und hohe Geschwindigkeiten eine Messung verunmöglichen. Um diese Schwierigkeiten zu bewältigen, wurden zusammen mit dem Institut für Hydromechanik und Wasserwirtschaft IHW (ETHZ) zwei Forschungsarbeiten durchgeführt. Die an der VAW entwickelte hybride Abflussmessmethode besteht aus zwei