Jahresbericht 1999
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JAHRESBERICHT 1999 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 Wir freuen uns, Ihnen wieder unseren Jahresbericht vorlegen zu können. Dieses Jahr tun wir es besonders gern, weil wir über eine grosse Anzahl von Projekten zu berichten haben. Wie dem Anhang zu entnehmen ist, wurden im Jahr 1999 ungefähr 140 Projekte bearbeitet. Sie umfassen kleine Projekte, die in kurzer Zeit abgeschlossen werden können sowie langfristig, über mehrere Jahre angelegte Forschungsvorhaben. Etwas mehr als die Hälfte fällt in den Bereich der Grundlagenforschung, deren Ergebnisse durch Dissertationen, Veröffentlichungen und Vorträge einem breiteren Kreis zugänglich gemacht werden. Der etwas kleinere, aber für uns nicht weniger wichtige Teil umfasst die Aufträge für angewandte Forschung. Erfreulicherweise haben wir im abgelaufe nen Jahr eine grosse Anzahl von interessanten, anspruchsvollen Aufgaben übernehmen können. Die grosse Zahl von Anfragen ist für uns Verpflichtung, unseren Auftraggebern eine fachliche Beratung auf höchstem Niveau zu bieten. Die Fragestellungen aus den Aufträgen regen in vielen Fällen zu weiterführen der Grundlagenforschung an. Und oft gelingt es von Anfang an, Grundlagen und angewandte Forschung zu verknüpfen. Wir sind deshalb froh, dass die von uns vor zwei Jahren (siehe Jahresbericht 1998) festgelegten Forschungsschwerpunkte durch die Anfragen, die ja die offenen Probleme in der Gesellschaft widerspiegeln, bestätigt werden. Die überwiegende Anzahl der Aufträge fällt in das Gebiet Schutz vor Naturgefahren, wie Hochwasserschutz, Schwemmholzproblematik, Murgänge und Eisstürze, in dem wir auch in der Grundlagenforschung stark engagiert sind. Aber auch zu den anderen Schwerpunkten ist jeweils eine grössere Anzahl Anfragen einge gangen. Wir hoffen, dass wir Ihnen mit unserem Jahresbericht einen Einblick in unsere Tätigkeit geben können. Neben der Forschung informieren wir Sie auch wieder über die von uns gebotene lehre und Personelles. Ich ergreife gern die Gelegenheit zu danken - allen Stellen, die unsere Grundlagenforschung finanzieren, - den Auftraggebern für die interessanten Projekte und die anregenden Diskussionen sowie - allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der VAW, die alle zum Ergebnis beigetragen haben, das wir mit dem vorliegenden Jahresbericht dokumen tieren. Zürich, im März 2000 INHALT Seite 1. Forschung 7 1.1 Hydraulik 7 1.2 Wasserbau 18 1.3 Flussbau 33 1.4 Glaziologie 42 2. lehre 55 2.1 Professur für Wasserbau und affilierte Lehraufträge 55 2.2 Lehraufträge für Glaziologie an der ETHZ 59 2.3 Diverses 60 3. Veranstaltungen 61 3.1 Fachtagung "Naturgefahren: Gletscher und Permafrost" 61 3.2 Tagung "Gletscherbeobachtung im 21. Jahrhundert" 61 3.3 lnt. Symposium "Verification of Cryospheric Models" 62 3.4 Annual Meeting of the Swiss ERCOFTAC Pilot Center 62 3.5 Öffentliche Kolloquien an der VAW 63 4. Personelles 64 ANHANG 65 A1 Grundlagenforschung 65 A2 Angewandte Forschung 67 A3 Mitarbeit in Kommissionen 73 A4 Wissenschaftliche Publikationen 75 A5 Vorträge von Mitarbeitern der VAW 79 A.6 Organigramm der VAW 84 7 1. Forschung 1.1 Hydraulik Durchflussmessungen bei Hochwasser Ziel und Motivation Die üblichen Methoden zur Durchflussmessung sind intrusiv und verlangen Projekt 'Doktorieren an viele Einzelmessungen. Dies bedeutet, dass bei Hochwasser die Qualität der anderen Hochschule' der Messungen ungenügend sein kann und der Zeitaufwand für die Projektleiter: Prof. Dr. W.H. Hager Erfassung einer Hochwasserwelle zu gross ist. Geschiebetransport und Doktorand: O. Baud hohe Geschwindigkeiten verhindern oft eine konventionelle Messmethode. Deshalb wird an der VAW eine berührungslose Messmethode entwickelt. Arbeitsphasen Die Forschungsarbeit besteht aus zwei Teilen: a) Entwicklung eines Systems zur optischen Aufnahme der Wasserober flächenstruktur. Die Oberflächengeometrie und das Geschwindigkeitsfeld der Wasseroberfläche werden deshalb gemessen. b) Entwicklung eines 30-Programms, um mit den gemessenen Informatio nen den Durchfluss zu berechnen. Phase A Die neue Durchflussmessmethode wird in einem Kanal mit einer Breite von 40 cm und einer Länge von 6 m entwickelt. Stromaufwärts werden schwim mende Partikel als Tracer zugefügt. Die Partikel werden von drei CCD Kameras verfolgt. Mit den drei gleichzeitigen Aufnahmen werden die Koordi naten der Partikel für jeden Zeitschritt berechnet. Danach kann das Geschwindigkeitsfeld dank eines Tracking Algorithmus nachgebildet werden . Phase B Die Sohlentopographie ist für die zweite Phase wichtig. Diese wird nach Ablauf des Hochwassers mit einer konventionellen Methode aufgenommen. Danach kann der Durchfluss durch eine inverse Modellierung mittels FEM berechnet werden. Mehrere Iterationen sind nötig um eine Übereinstimmung mit den Messungen der Oberflächenstruktur zu erzielen (Diss. S.Sulzer). Technische Daten (Phase A) Mit einer Frequenz von 60 Hz werden drei Bilder gleichzeitig im Arbeits speicher (RAM) des Computers gespeichert. Die Aufnahmedauer beträgt 3-4 Sekunden. • CCD Kamera: Pulnix TM-6702 Progressive Scan (640*480 Pixels I 60 Hz I 8 bits) • Frame Grabber: Matrox Meteor-II Multi-Channel Software: Visual Basic 6.0 mit OCX Files (Mil-lite). 8 Schiessender Abfluss in Krümmerschächten Auftrag ATV Schiessend durchflossene Krümmerschächte in Kanalisationen werden gemeinsam mit der durch die Entwicklung von Stosswellen charakterisiert. Anhand der 1998 Universität Neapel erarbeiteten Resultate ist festgestellt worden, dass die Kapazität eines 45° Dr. G. Gisonni Krümmers beträchtlich kleiner als die des 90° Krümmerschachtes ist. Der Prof. Dr. W.H. Hager Grund zu dieser Anomalie liegt bei der Stosswelle längs der äusseren Krümmerwand. Diese besitzt ihr Maximum unabhängig von Zufluss teilfüllung und Zufluss-Froudezahl immer bei rund 45°, also dort, wo der Krümmerschacht die Endwand besitzt und das Abwasser ins Unterwasserrohr eintreten soll. Die optimierte Bauart eines Krümmerschachts besteht deshalb aus dem eigentlichen Krümmer, welcher durch ein gerades Unterwasser-U-Profil erweitert wird. Diese Krümmererweiterung bewirkt eine Kapazitäts• vergrösserung, welche bei einer Länge von rund zwei Durchmessern identisch ist mit derjenigen des 90° Krümmerschachts. Bild B zeigt den 45° Krümmerschacht mit Krümmererweiterung. Abb. 1 Ansicht vom Unterwasser des schiessenden Abflusses im Krümmer• schacht mit Krümmererweiterung Bei überlasteten Krümmerschächten können gefährliche Phänomene auf treten, die hin bis zum Deckelabheben führen. Ist ein bestehender Krümmerschacht überlastet, tritt also ein sogenannter Strömungs• zusammenbruch ein und damit ein Zweiphasen-Druckabfluss im Schacht, so bieten sich grundsätzlich zwei hydraulische Sanierungsmassnahmen an: 1. Einbau einer Krümmererweiterung bei Umlenkwinkeln zwischen 30° und 60°, 2. Sehachtabdeckung, die eine Wellenentwicklung über den 9 Rohrscheitel hinaus verhindert. Die zweite Massnahme ergibt eine gegenüber der Krümmererweiterung zusätzliche Durchfluss-Kapazität, bedingt jedoch eine intensive Überwachung. Die Sehachtabdeckung ist so auszuführen, dass jederzeit Inspektion und Unterhalt der Kanalisation gewährleistet sind. Energiedissipation an Grosskaskaden Die Versuche am 50° geneigten Kanal wurden 1999 abgeschlossen und Nationalfondsprojekt mit den Resultaten für einen Schussrinnenneigungswinkel von <I> = 30° ver Projektleiter: glichen. Es zeigte sich, dass Widerstandsverhalten und Energie Prof. Dr. W.H. Hager dissipationsvermögen der Stufenrauheit auf Kaskaden stark von der Doktorand: R. Boes Geometrie der von den Stufenflächen und dem sog. Pseudoboden, der Verbindung der Stufenkanten, gebildeten dreieckförmigen Stufennischen beeinflusst wird. Bei 30° wird mehr hydraulische Energie dissipiert als für 50°, da die Schubspannungsfläche zwischen dem in der Nische rotierenden Walzenwirbel und der Hauptströmung am Pseudoboden grösser ist. Durch Aufrechterhaltung des Rezirkulationswirbels in der Nische wird der oberhalb des Pseudobodens verlaufenden Hauptströmung permanent Energie entzogen, was in erster Linie für die grossen erreichbaren Energiedissipationsraten auf Treppenschussrinnen verant wortlich ist. Bezüglich des Widerstandsverhaltens zeigte sich für <I>= 50° im Gegensatz zu 30° eine Abnahme des Widerstandsbeiwerts f mit zunehmender Relativrauheit K/Dh.•tt• wobei K der Rauheitshöhe der Stufen <j> Abb. 2 Modellabfluss über Stufen mit K = 20 mm, = 50°, F0 = 4.9, QM = 112.5 1/s, Fliessrichtung von links nach rechts, Seitenansicht im Bereich des Selbstbelüftungspunktes mit x = 1 .5 m von der Strahlbox 10 senkrecht zum Pseudoboden entspricht. Der effektive hydraulische Durch messer Dh.•tt beinhaltet einen Formbeiwert w zur Berücksichtigung des vom Kreisquerschnitt abweichenden Rechteckquerschnitts. Fotoaufnahmen unter Verwendung eines Stroboskops zeigen sehr anschaulich die zunehmende Querverteilung der an der Wasseroberfläche eingetragenen Luftblasen in Richtung der Kanalsohle. Es liegt eine Art Belüftungsgrenzschicht vor, die vom Selbstbelüftungspunkt in Richtung der Schussrinnensohle zunimmt. Messungen der Luftpartikelgrösse in nahezu vollbelüfteter Strömung ergaben mit der Auftretenswahrscheinlichkeit gewichtete mittlere Sehnenlängen von etwa 0.7 mm an der Sohle, wo annähernd kugelförmige Luftblasen vorliegen, bis hin zu ca.