Table Of ContentEduard Naudascher
Hydraulik der
Gerinne
und Gerinne
bauwerke
Springer-Verlag Wien GmbH
Eduard Naudascher
Hydraulik der
Gerinne und
Gerinnebauwerke
Springer-Verlag Wien GmbH
Prof. Dr.-Ing. Eduard Naudascher
Institut für Hydromechanik
Universität Karlsruhe
Bundesrepublik Deutschland
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© 1987 by Springer-Verlag Wien
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Wien-New York 1987
Mit 269 Abbildungen
ISBN 978-3-211-81994-4 ISBN 978-3-7091-4448-0 (eBook)
DOIIO.I007/978-3-7091-4448-0
H u n t e r R 0 u s e
anläßlich seines achtzigsten Geburtstages
in Dankbarkeit gewidmet
VORWORT
Das vorliegende Buch basiert auf Unterlagen für den DVWK-Lehrgang "Stationäre
Gerinnehydraulik", den ich im April 1980 an der Universität Karlsruhe zusammen
mit den Kollegen Heinrich Dorer, Wilhelm Gehrig, Bruno Herrling, Franz Nest
mann und Berthold Treiber durchführte. Obwohl ich stets vorhatte, die Lehr
gangsunterlagen nach gründlicher Überarbeitung zu veröffentlichen, ist es doch
dem beharrlichen Zuspruch von Hans Bischoff, Vorsitzender des DVWK-Fachaus
schusses "Rohr- und Gerinnehydraulik", zu verdanken, daß dieses Vorhaben nun
auch verwirklicht wurde.
Es war mein Bestreben, gleichzeitig ein anwendungsbezogenes Lehrbuch für Stu
denten des Bauingenieurwesens und ein in den Grundlagen wohlfundiertes
Handbuch für den im Wasserbau, in der Siedlungswasserwirtschaft und der indu
striellen Wasserversorgung tätigen Ingenieur zu schreiben. Ich habe mich des
halb bemüht, alle dargestellten Berechnungsverfahren für Gerinneströmungen und
alle Ausführungen zur Bemessung und Gestaltung von Gerinnen und Gerinnebauwer
ken durch Anwendungsbeispiele eingehend zu erläutern. Wo immer möglich, habe
ich Bewährtes von anderen übernommen, so vor allem von Hunter Rouse, Ven Te
Chow und Ralph Schröder. Meine langjährige Tätigkeit in den USA findet ihren
Niederschlag in den vielen Hinweisen auf die sehr umfangreiche englischsprachi
ge Literatur zum Thema Gerinnehydraulik, sowie in der Darbietung des Stoffes
nach der Schule von Rouse. Zumindest war mir dieses letztere wichtigstes An
liegen.
Bis vor einer Generation waren Ingenieure gezwungen, Formeln zu verwenden, die
auf der Grundlage von Empirie und stark vereinfachten theoretischen Betrachtun
gen entwickelt worden waren. Da diese Formeln oft nicht nur im Widerspruch zu
physikalischen Gesetzen, sondern häufig nicht einmal dimensionshomogen waren,
mußten mehr und mehr Koeffizienten eingeführt werden, um die Abweichungen zwi
schen berechneten und gemessenen Daten zu korrigieren. Den Erkenntnissen der
klassischen Hydrodynamik jener Tage standen die Ingenieure wegen der Wirklich
keitsferne dieser Wissenschaft berechtigterweise skeptisch gegenüber. Und so
entwickelte sich eine verhängnisvolle Kluft, die noch bis in unsere Tage hin
einwirkt, zwischen der wissenschaftlich unbefriedigenden "Koeffizienten-Hydrau
lik" der praktisch tätigen Ingenieure auf der einen Seite und der stark ideali
sierten Hydrodynamik der theoretisch orientierten Wissenschaftler auf der ande
ren Seite. Wenn wir diese Kluft heute allmählich überwinden, so hat dazu gewiß
VIII
in erster Linie H u n t e r R 0 u s e beigetragen. Dies ist einer der
Gründe, weshalb ich dieses Buch mit besonderer Freude ihm widme. Ich möchte mit
dieser Widmung nicht nur meinen persönlichen Dank aussprechen für das, was ich
in den erfüllten Jahren des gemeinsamen Wirkens am Iowa Institute of Hydraulic
Research von ihm lernen durfte. Vielmehr möchte ich damit den Lesern dieses
Buches zum Bewußtsein bringen, wem wir die vielfältigen Erleichterungen und
Verbesserungen auf dem Weg zu fruchtbringender Arbeit in unserem Fachgebiet
vor allem zu verdanken haben.
Danken möchte ich auch den vielen, ohne deren Hilfe dieses Buch nicht geworden
wäre. Besonderer Dank gebührt Franz Nestmann, der die Abschnitte 7.3 und 7.4
beisteuerte und mir völlig uneigennützig beim Korrekturlesen half. Heinrich
Dorer verdanke ich die Zusammenstellung des Abschnitts 7.5. Bei der Überprü
fung der Gleichungen, der Bilder und des Textes halfen vor allem Hans Bischoff,
Thomas Maurer und Karlheinz Peissner mit. Cornelia Echte danke ich für die
sorgfältige Fertigstellung des Textes und ihre Geduld mit den vielen Formeln,
Bruni Siebach für die Abfassung der Erstschrift, Ruth Böser und Roswitha
Zschernitz dafür, daß sie trotz starker Überlastung mit anderen Arbeiten bei
der Fertigstellung von Inhalts- und Literaturverzeichnis mithalfen, und Karl
Fink für die vielen Kopien, die anzufertigen waren; Joachim Helbing, Susanna
Issel und Iris Kastner haben sich um die Herstellung und die sehr mühsame Aus
besserung der Bilder verdient gemacht, und Margarete Karcher bin ich für ihre
Hilfe bei der Literatursuche dankbar. Nicht zuletzt möchte ich Dank sagen für
das empfangene Akademiestipendium der Stiftung Volkswagenwerk, das es mit er
möglicht hat, das Vorhaben zu einem guten Abschluß zu bringen.
Karlsruhe, im Februar 1987 Eduard Naudascher
INHALTSVERZEICHNIS
Seite
1. GRUNDLAGEN DER GERINNEHYDRAULIK
1.1 Die Grundgleichungen der eindimensionalen
Strömungsanalyse
1.1.1 Allgemeine Bemerkungen 1
1.1. 2 Die Kontinuitätsgleichung 1
1.1. 3 Die Energiegleichung 2
1.1. 4 Die Impulsgleichung 5
1.1.5 Zur Anwendung der Grundgleichungen
1.1.5.1 Allgemeines 6
1.1.5.2 Geschwindigkeitsverteilung 7
1.1.5.3 Druckverteilung 11
1.2 Gesetzmäßigkeit des stark ungleichförmigen
Abflusses
1.2.1 Energiebetrachtung; die Grenztiefe 14
1.2.2 Kontrollbedingungen für den
Gerinneabfluß 23
1.2.3 Impulsbetrachtung; der Wechselsprung 24
2. BEMESSUNG UND GESTALTUNG VON TOSBECKEN
2.1 Bemessung grundlegender Tosbeckentypen
2.1.1 Allgemeine Bemerkungen 34
2.1.2 Tosbecken mit positiver Stufe 35
2.1.3 Tosbecken mit Schwelle und Zahnschwelle 37
2.1.4 Tosbecken unterstrom eines freien
Uberfalls' 40
2.1.5 Tosbecken mit Rückstau 41
2.1.6 Tosbecken besonderer Bauart 44
2.2 Stabilisierung des Wechselsprungs
2.2.1 Tosbecken mit Prallblöcken oder Schwellen 50
2.2.2 Tosbecken mit Sohlenvertiefung oder
negativer Stufe 52
2.2.3 Tosbecken mit seitlicher Aufweitung 56
2.2.4 Tosbecken unterstrom eines geneigten
Gerinnes 59
x
Seite
2.3 Wechselsprung und Luftbeimengung
2.3.1 Einfluß der Vorbelüftung auf den
Wechselsprung 66
2.3.2 Luft- und Sauerstoffeintrag im
Wechselsprung 68
3. BEMESSUNG VON KONTROLLBAUWERKEN
3.1 Kontrollbauwerke und Abfluß: Anmerkungen zur
Koeffizientenhydraulik 74
3.2 Unterströmte Bauwerke
3.2.1 Tiefschütze 82
3.2.2 Freispiegelschütze mit freiem Abfluß
3.2.2.1 Das unterströmte Schütz 87
3.2.2.2 Einfluß der Reyno1ds-Zahl 90
3.2.2.3 Maßstabseffekte 92
3.2.2.4 Unter strömte Freispiegelschütze
besonderer Bauart 97
3.2.3 Freispiegelschütze mit rückgestautem
Abfluß 100
3.3 Uberströmte Bauwerke
3.3.1 Wehre und Schwellen mit vollkommenem
Uberfall
3.3.1.1 Scharfkantige Wehre und
Schwellen 102
3.3.1.2 Wehr mit Uberfallrücken 107
3.3.1.3 Uberströmte Wehrverschlüsse
besonderer Bauart 111
3.3.1.4 Breitkroniges Wehr, Venturi-
kanal 115
3.3.1.5 Maßstabseffekte 119
3.3.2 Wehre mit unvollkommenem Uberfall 122
3.3.3 Wehre besonderer Art 124
3.4 Gleichzeitig über- und unter strömte Wehre 127
4. UBERGANGSBAUWERKE UND EINBAUTEN IN GERINNEN
4.1 örtliche Energieverluste
4.1.1 Allgemeine Bemerkungen 131
4.1.2 Verlust bei Einbauten {Pfeilerstaul
4.1.2.1 Allgemeines 134
4.1.2.2 Einfluß der Form und der
Reynolds-Zahl 135
XI
Seite
4.1.2.3 Rauheits- und Turbulenz-
einflüsse 138
4.1.2.4 Sohlen- und Endeinflüsse 139
4.1. 2.5 Welleneinfluß 141
4.1.2.6 Einfluß von Bauwerksschwin-
gungen 141
4.1.2.7 Verbauung und Nachbarbauten 142
4.1.3 Verlust bei Querschnittsänderungen
(strömender Abfluß)
4.1. 3.1 Allgemeines 144
4.1.3.2 Querschnittserweiterungen 144
4.1.3.3 Querschnittsverengungen 146
4.1.3.4 Einlaufverlust 147
4.1.3.5 Brückenwiderlager und einge-
staute Brücken 148
4.1.4 Umlenk- und Verzweigungsverluste
(strömender Abfluß)
4.1. 4.1 Krümmungen 150
4.1.4.2 Verzweigungen und Vereini-
gungen 155
4.2 Ubergangsbauwerke für strömenden Abfluß
4.2.1 Allgemeine Bemerkungen 158
4.2.2 Gerinneverengungen und Einlaufbauwerke 161
4.2.3 Gerinneerweiterungen und Auslaßbauwerke 165
4.2.4 Gerinnekrümmungen 171
5. BEMESSUNG UND GESTALTUNG VON SCHUSSRINNEN
5.1 Richtungsänderungen bei schießendem Abfluß
5.1.1 Allgemeine Bemerkungen 172
5.1.2 Plötzliche Richtungsänderung 176
5.1.3 Allmähliche Richtungsänderung 181
5.1.4 Reflexion und Interferenz stehender
Wellen 186
5.2 Gerinnebauwerke für schießenden Abfluß
5.2.1 Gerinneverengungen und Einlaufbauwerke 190
5.2.2 Gerinneerweiterungen und Auslaßbauwerke 196
