Hydraulische Berechnungen - lbm.rlp.de · 4.3.1 Vorlandbereiche Die gewählten Rauhigkeitswerte...

Vorhaben:

Änderung Homericher und Enzweiler Tunnel

Strecke 3511 Bahn-km 68,5+25 und Bahn-km 69,1+64

Unterlage 20 – Hydraulische Berechnungen –

Rettungszufahrt Variante 2 / Nahe

Unterlage Bezeichnung

20.1 Erläuterungsbericht

20.2 Berechnung für Wassertiefen HQ 100

20.2.1 Bestand 20.2.2 Planung 20.2.3 Differenzkarte

Vorhaben: Unterlage 20.1

Erneuerung Homericher und Enzweiler Tunnel

Strecke 3511 Bahn-km 68,5+25 und Bahn-km 69,1+64

Erläuterungsbericht:

Hydraulische Berechnungen –

Rettungszufahrt Variante 2 / Nahe

Vorhabenträger:

Knut Maisch

DB Netz AG

Regionalbereich Südwest

Schwarzwaldstraße 82

76137 Karlsruhe

Datum 12.04.2017 Unterschrift

Datum Unterschrift

Datum Unterschrift

Vertreter des Vorhabenträgers:

Thomas Edel

DB Netz AG

Regionalbereich Südwest

Schwarzwaldstraße 82

76137 Karlsruhe


Verfasser:

Hansastraße 40, 80686 München, Tel.: 089 / 5799-0


Genehmigungsvermerk Eisenbahn-Bundesamt

Planungsstand: 07.04.2017

Digital unterschrieben von Thomas Edel Datum: 2018.10.29 10:57:23 +01'00'

fusser

Stempel

DBNetz AG Planfeststellung Regionalbereich Südwest Erläuterungsbericht Änderung Homericher und Enzweiler Tunnel

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INHALT

Seite

Literaturverzeichnis ..........................................................................................................2

Verwendete Abkürzungen .................................................................................................3

1 Auftraggeber .................................................................................................... 5

2 Veranlassung und Vorgehensweise ............................................................... 5

2.1 Veranlassung ..................................................................................................... 5

2.2 Eingesetzte Software ......................................................................................... 5

2.3 Vorgehensweise ................................................................................................ 6

3 Grundlagen ....................................................................................................... 6

3.1 Lage des Untersuchungsgebietes ...................................................................... 6

3.2 Vorhandene Unterlagen ..................................................................................... 7

3.3 Bemessungsabfluss ........................................................................................... 7

4 Modellerstellung .............................................................................................. 7

4.1 IST-Zustand ....................................................................................................... 7

4.2 Planungszustand ............................................................................................... 8

4.3 Modellkalibrierung .............................................................................................. 9

4.3.1 Vorlandbereiche .......................................................................................... 9

4.3.2 Flussschlauch .............................................................................................. 9

4.3.3 Vergleich mit TIMIS (1D-Berechnung) ........................................................10

5 Hydrotechnische Berechnungen .................................................................. 12

5.1 HQ100 – IST-Zustand ...................................................................................... 12

5.2 HQ100 – Planungs-Zustand ............................................................................. 12

5.3 Ergebnisse und Auswirkungen ......................................................................... 13

5.3.1 Wasserspiegel und Überschwemmungsgrenze bei HQ 100 .......................13

5.3.2 Retentionsraumverlust bei HQ 100 .............................................................13

5.3.3 Auswirkungen .............................................................................................14

6 Fazit ................................................................................................................ 15


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QUELLENVERZEICHNIS

[ 1 ] HYDRO_AS-2D – ein zweidimensionales Strömungsmodell für die wasserwirt-

schaftliche Praxis, Benutzerhandbuch, Dr.-Ing. Marinko Nujic, Ausgabe November 2006

[ 2 ] Tutorial zum HYDRO_AS-2D-Aufbaukurs

Bayerisches Landesamt für Umwelt, Dr. Gabriele Schwaller, Ausgabe Oktober 2006

[ 3 ] Schreiben der SGD Nord an OPBERMEYER Planen+Beraten Aktenzeichen 322-134-00 045 01 Pies/Ba 03.12.2015 [ 4 ] Schreiben der SGD Nord an OPBERMEYER Planen+Beraten Aktenzeichen 322-134-00 045 01 E Pies/Ba 05.04.2016


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VERWENDETE ABKÜRZUNGEN AG Auftraggeber

BOK / BUK Böschungsober-/unterkante

DGM Digitales Geländemodell

HW Hochwasser

HYDRO_AS 2-dimensionales Strömungsmodell

km Kilometer

km² Quadratkilometer

KUK Konstruktionsunterkante

LASER_AS Software zur automatischen Ausdünnung von DGM-Daten

m Meter

m² Quadratmeter

m³ Kubikmeter

OPB Obermeyer Planen + Beraten

SMS Surface Water Modeling System; Software für Vor- und Nachbereiten von Berechnungen mit HYDRO_AS-2D

WSP Wasserspiegel

WWA Wasserwirtschaftsamt

2d-Berechnung Zweidimensionale hydrotechnische Berechnung; Simulation eines Hochwassers


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1 Auftraggeber

DB Netz AG Regionalbereich Südwest Schwarzwaldstraße 86 76137 Karlsruhe

2 Veranlassung und Vorgehensweise

2.1 Veranlassung

Die DB Netz AG plant die Erneuerung des Homericher und des Enzweiler Tunnels. Darin enthalten ist die Planung eines Rettungsplatzes einschl. Rettungsplatz-Zufahrt.

Zur Rettungsplatz-Zufahrt werden im Rahmen der Planungen verschiedene Vari-anten untersucht. Eine Variante verläuft parallel zur Nahe, im Überschwemmungs-gebiet der Nahe (Variante 2).

In dieser Studie wird ausschließlich die Variante 2 berechnet.

Mit einer hydrotechnischen Berechnung sind die Auswirkungen der Rettungs-Zufahrt auf den Hochwasserabfluss HQ100 zu untersuchen.

Die Auswirkungen werden mit Hilfe einer zweidimensionalen Strömungsberech-nung ermittelt.

2.2 Eingesetzte Software

Zur Ermittlung der Überschwemmungsflächen wurde ein zweidimensionales Pro-gramm zur Simulation von Oberflächenströmungen (Programm HYDRO_AS-2d, Dr.-Ing. Nujic) eingesetzt. Auf eine Beschreibung des Programms wird hier ver-zichtet, hierzu wird auf [1] verwiesen.

Die DGM-Daten der Laserscanbefliegung wurden mit dem Programm LASER_AS-2d (Dr.-Ing. Nujic) ausgedünnt und aufbereitet.

Das DGM des Flussschlauches wurde mit dem Programm FLUSSNETZ (Dr.-Ing. Nujic) erstellt.

Die weitere Erstellung und Bearbeitung des digitalen Geländemodells (DGM) er-folgte mit dem Programm SMS. Eine kurze Programmbeschreibung ist ebenfalls in [1] enthalten.


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2.3 Vorgehensweise

Zunächst wurde ein digitales Geländemodell des gesamten Untersuchungsgebie-tes erstellt. Nach einer Kalibrierung des Modells wurde das Hochwasserereignisse HQ 100 IST-Zustand berechnet. Nach Einarbeitung des Planungszustandes in das Modell wurde der Planungszu-stand HQ100 berechnet und die Ergebnisse mit dem IST-Zustand verglichen.

3 Grundlagen

3.1 Lage des Untersuchungsgebietes

Das Untersuchungsgebiet befindet sich westlich von Oberstein, südlich von Idar-Oberstein, im Bereich Enzweiler.

Abb.: Luftbild Untersuchungsbereich, rot: Verlauf der Nahe

Mit der zweidimensionalen Strömungsberechnung wurden die Auswirkungen der geplanten Maßnahmen ober- und unterstromig der DB-Überführung (Brücke) über die Nahe untersucht.


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3.2 Vorhandene Unterlagen

Zur Bearbeitung der hydraulischen Berechnungen stehen folgende Grundlageda-ten zur Verfügung:

• Daten aus TIMIS-Berechnung (1D-Berechnung): Querprofile und Uferlinien

• Laserscanningdaten des Vorlandes (DGM aus Befliegung)

• ALKIS-Daten (Landnutzungsarten)

• Planung Rettungsplatz-Zufahrt (Variante 2)

• Abfluss HQ100 aus TIMIS (HQ100 = 321,667 m³/s)

• Wasserspiegelhöhen HQ100 aus TIMIS-Berechnung (1D-Berechnung)

3.3 Bemessungsabfluss

Die Berechnungen erfolgen mit dem Bemessungsabfluss

HQ100: 321,667 m³/s

4 Modellerstellung

4.1 IST-Zustand

Die vorliegenden DGM-Daten aus der Laserscanbefliegung wurden mit dem Pro-gramm LASER_AS-2d ausgedünnt. Dieses Programm beinhaltet eine automati-sche Bruchkantenerkennung, so dass eine weitere Einarbeitung von Bruchanten in das Modell nicht erforderlich war. Aus den so aufbereiteten Daten wurde das Vor-land-DGM erstellt.

Die Flächennutzungen wurden aus den vorliegenden Nutzungsarten-Dateien (AL-KIS) auf das Berechnungsnetz übertragen.

Das DGM des Flussschlauches wurde mit dem Programm FLUSSNETZ erstellt. Hierzu wurden die aus der TIMIS-Berechnung vorhandenen Uferlinien und Quer-profile verwendet.


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Abb.: Uferlinien und Querprofile der Nahe (Bereich Enzweiler), aus TIMIS

4.2 Planungszustand

Für die Berechnung des Planungszustandes wurde die 3D-Planung der Rettung-platzzufahrt in das Modell des IST-Zustandes eingefügt. In dieser Studie wird die Variante 2 der Zufahrt berechnet: Die Variante 2 zur Rettungszufahrt sieht wie folgt aus: - Rettungszufahrt aus südwestlicher Richtung bis zum Brückenwiderlager - auf der westlichen Uferseite der Nahe, - am Rand des Überschwemmungsgebietes bei HQ100,


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4.3 Modellkalibrierung

Die Kalibrierung erfolgt durch die Variation der Strickler’schen Rauhigkeitsbeiwerte und durch den Vergleich der Ergebnisse der 2D-Berechnungen mit den Wasser-spiegelhöhe aus der TIMIS-Berechnung (1D-Berechnung)

4.3.1 Vorlandbereiche

Die gewählten Rauhigkeitswerte (Strickler-Werte kSt) für die verschiedenen Flä-chen im Vorlandbereich sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst. Die Sied-lungsflächen sind im Modell als Mischflächen (Gebäude einschl. der dazwischen-liegenden Flächen) definiert und werden daher mit dem Strickler-Wert 10 belegt. Die gewählten Rauhigkeitsbeiwerte lehnen sich an die in [1] vorgeschlagenen Werte und an Literaturwerten an.

Flächennutzungsart Rauhigkeitsbeiwert kSt (Strickler)

Bahnverkehr 20

Besondere funktionale Prägung 15

Fliessgewässer (Gräben) 25

Friedhof 20

Gehölz 10

Gemischte Nutzung 12

Grünland 20

Industrie und Gewerbe 12

Landwirtschaft 19

Platz 40

Sport, Freizeit, Erholung 20

Strassen 40

Wald 10

Weg 40

Wohngebiet 10

Vegetationslose Fläche 20

Stehende Gewässer 30

4.3.2 Flussschlauch

Für den Flussschlauch der Nahe wurden aufgrund der Gewässerstruktur und des Vergleichs mit den Wasserspiegelhöhe der 1D-Berechnung folgender Rauhig-keitsbeiwert gewählt:

Flächennutzungsart Rauhigkeitsbeiwert kSt (Strickler)

Gewässer 30


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4.3.3 Vergleich mit TIMIS (1D-Berechnung)

Das Modell wurde auf Grundlage der TIMIS-Daten erstellt. Als untere (Auslauf-) Randbedingung wurde der Wasserstand der TIMIS-Berechnung bei HQ100 ange-setzt. Die berechneten Wasserspiegel der 2D-Berechnung stimmen zwischen dem unte-ren Modellrand und der Bahnbrücke über die Nahe vergleichsweise gut mit den Wasserspiegeln der 1D-Berechnung (TIMIS) überein (Abweichung ca. +- 5 cm). Dies wird mit einem Strickler-Wert der Nahe (Flussbett) von kst =30 erreicht. An der Bahnbrücke über die Nahe ergibt sich ein Sprung in dem Vergleich zwi-schen 2D- und 1D-Berechnung (IST-Zustand), d.h. stromaufwärts der Brücke liegt der 2D-berechnete Wsp ca. 0,4-0,5 m höher als der 1D-berechnete. Dies ist zu erklären durch den eingeschnürten Flussschlauch bzw. Abflussquer-schnitt durch die Widerlager der DB-Brücke (siehe folgende Abbildungen). Diese Einschnürung verursacht in der 2D-Berechnung eine oberstromige Anhebung des Wasserspiegels (Aufstau). Da diese Einschnürung in den Querprofilen von TIMIS (und somit in der 1D-Berechnung) nicht enthalten ist, ergibt sich in TIMIS ein nied-rigerer Wsp oberhalb der Brücke. Die 2D-Berechnung bildet an dieser Stelle die Realität besser / genauer ab. Insgesamt können die berechneten Wsp der 2D-Berechnung als plausibel ange-sehen werden. Die Unterschiede zwischen 2D und 1D (TIMIS) sind erklärbar. Zudem ist bei dieser Berechnung nicht der Vergleich zu TIMIS maßgebend, son-dern der absolute Vergleich zwischen IST- und PLAN innerhalb der 2D-Berechnung.


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Längsschnitt Flussachse: Darstellung Sohlhöhe und Wasserspiegel HQ100 Aufstau durch Eisenbahndamm

Lageplan: Darstellung Fließtiefe, Einengung durch Eisenbahndamm


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5 Hydrotechnische Berechnungen

Die Berechnungen erfolgten mit dem Programm Hydro_AS-2d. Die Berechnungs-ergebnisse wurden mit Hilfe des Programmes SMS ausgewertet und visualisiert.

Die Berechnung erfolgte stationär.

Als untere (Auslauf-)Randbedingung wurde der Wasserstand der TIMIS-Berechnung bei HQ100 angesetzt.

5.1 HQ100 – IST-Zustand

Die Berechnung erfolgte stationär mit dem vorgegebenen Bemessungsabfluss.

Die Fließtiefen im IST-Zustand sind in dem beiliegenden Lageplan dargestellt.

5.2 HQ100 – Planungs-Zustand

Es wurde der Planungszustand HQ 100 mit dem angepassten Modell berechnet. Die Berechnung erfolgte stationär mit dem vorgegebenen Bemessungsabfluss.

Anschließend wurde der Planungszustand mit dem IST-Zustand verglichen, um die Auswirkungen der Planung darzustellen.

In dem beiliegenden Plan sind die Wassertiefen für den Planungszustand darge-stellt. Zudem ist zum Vergleich die Überschwemmungsgrenze des IST-Zustandes dargestellt.

Weiterhin sind in einem Lageplan die Wasserspiegel-Differenzen (Planung minus IST) dargestellt.


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5.3 Ergebnisse und Auswirkungen

5.3.1 Wasserspiegel und Überschwemmungsgrenze bei HQ 100

Der Vergleich „PLAN minus IST“ in der 2D-Berechnung zeigt: - PLAN-Zustand: Wsp-Erhöhungen in der Nahe im Bereich der Rettungszufahrt

im Mittel ca. 0 – 4 cm. - Bereichsweise bis 10 cm Erhöhung, diese sind aber nur punktuell und

daher untergeordnet. - Bereichsweise ergeben sich auch Wsp-Absenkungen.

- Überschwemmungsgrenze vergrößert sich bereichsweise bis max. ca. 0,5 m. Die mittlere Erhöhung von 0-4 cm liegt im Bereich der Rechenungenauigkeit Am südlichen Ende erreicht die Wasserspiegelerhöhung die Kläranlage Enzweiler. Im Rahmen dieser Berechnung wurde nicht ermittelt, inwieweit sich die Wasser-spiegelerhöhung im Auslaufkanal des KA auswirkt bzw. was dies für Auswirkungen auf der KA hat.

5.3.2 Retentionsraumverlust bei HQ 100

Die Retentionsraumberechnung bezieht sich auf den Bereich gesamten Untersu-chungsraum.

Die Volumina werden mit Hilfe der Software Hydro_AS-2d / SMS auf Basis des Berechnungsmodells und des berechneten Wasserspiegels ermittelt. Die Software ermittelt automatisiert für jedes Element des Berechnungsgitters das enthaltene Wasservolumen.

Der Vergleich zwischen IST- und Planungszustand zeigt dann den Retentionsver-lust.


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Innerhalb des Untersuchungsgebietes ergeben sich folgende Retentionsvolumina:

Nr. Retentionsvolumen IST PLAN

1 Vorhandenes Wasservolumen, im Untersuchungsgebiet

616.417 m³ 614.658 m³

4 Retentionsraumverlust (Ist minus Plan)

1.759 m³

Durch die geplanten Maßnahmen geht ein Retentionsvolumen von ca. 1800 m³ verloren.

5.3.3 Auswirkungen

Die geplante Maßnahme hat nur geringe Auswirkung auf den maximalen Wasser-spiegel beim HQ100. Durch die geplante Rettungszufahrt werden das Abflussver-halten und die Überschwemmungsgrenze beim HQ100 gegenüber dem IST-Zustand nur geringfügig verändert.

Sollte die Variante 2 in den Planungen weiter verfolgt werden, sind unabhängig von den geringen Auswirkungen dieser Variante folgende Sachverhalte im Ge-nehmigungsantrag zu beantworten bzw. zu bearbeiten: - Variantenprüfung: Schlüssige Begründung für diese Variante des Rettungs-

weges und Darstellung der Vorteile gegenüber den anderen Varianten, bzw. Erläuterung, welche gravierenden Nachteile die anderen Varianten ha-

ben, die weniger stark in das Überschwemmungsgebiet eingreifen. - Der verlorene Retentionsraum ist zeit- und wertgleich auszugleichen (gemäß

WHG), d.h. Herstellung des Retentionsausgleiches in örtlicher Nähe (Thema: Grundstücksverfügbarkeit, Ökologische Belange, etc.)

- Auswirkungen auf KA Enzweiler (südlichster Bereich der Wsp-Erhöhung): Rückstau (Wsp-Erhöhung) im Auslaufkanal der KA. Dies ist mit dem Betreiber der KA (Stadtwerke) abzustimmen. Die Thema Variantenprüfung und Retentionsraum sind auch bereits in [3] und [4] angesprochen worden. Die Beantwortung der oben genannten Sachverhalte ist nicht Bestandteil der vor-liegenden hydrotechnischen Berechnung.


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6 Fazit

Die geplante Maßnahme hat nur geringe Auswirkung auf den maximalen Wasser-spiegel beim HQ100. Die berechnete Änderung der Wasserspiegellage liegt im Bereich der Rechenungenauigkeit. Durch die geplante Rettungszufahrt werden das Abflussverhalten und die Über-schwemmungsgrenze beim HQ100 gegenüber dem IST-Zustand nur geringfügig verändert.

Es ergibt sich ein Retentionsraumverlust von ca.1800 m³, der zeit- und wertgleich auszugleichen ist.

Im Genehmigungsantrag sind die unter Ziffer 5.3.3 genannten Sachverhalte zu klären.

Erstellt/Geprüft/Freigegeben: NeT/NeT/Grö

Neu-Ulm, 11.04.2016 O B E R M E Y E R PLANEN + BERATEN GmbH ppa. Dipl.-Ing. U. Grötzinger i. V. Dipl.-Ing. T. Neumann

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