IAN REPORT 105 BAND 3 - BOKU · 2012. 8. 1. · IAN REPORT 105 BAND 3 Optimierung der...

IAN REPORT 105 BAND 3

Optimierung der Schutzmaßnahmen am Schwemmkegel

des Vorderbergerbaches / St. Stefan im Gailtal

Evaluierung des Übergangsbereichs Geschiebeablagerungsplatz – Dorfkünette (IST-Zustand)

Im Auftrag:

Amt der Kärntner Landesregierung, Abt. 18: Wasserwirtschaft

Wien, September 2008

Universität für Bodenkultur Institut für Alpine Naturgefahren

Department Bautechnik und Naturgefahren Peter Jordan Str. 82 Tel.: #43-1-47654-4350 A-1190 WIEN Fax: #43-1-47654-4390

Im Auftrag von: Amt der Kärntner Landesregierung, Abt. 18: Wasserwirtschaft

Projektleitung: Ao. Univ. Prof. DI Dr. Johannes Hübl

DI Dr. Roland Kaitna

Mitarbeiter: DI Matthias Kerschbaumer

Barbara Mayer

Consulting: DI Dr. Michael Hengl,

Institut für Wasserbau und hydrometrische Prüfung, Wien

Report Nr.: 105

Referenz (Literaturzitat): KAITNA, R., KERSCHBAUMER, M., MAYER, B., CHIARI, M., HENGL, M., HUEBL, J. (2008): Optimierung der Schutzmaßnahmen am Schwemmkegel des Vorderbergerbachs / St. Stefan im Gailtal, IAN Report 105 Band 3; Institut für Alpine Naturgefahren, Universität für Bodenkultur, Wien (unveröffentlicht). Foto Titelblatt links oben: Ing. W. Lora, Amt d. Kärntner Landesregierung, Abt. 18: Wasserwirtschaft

Wien, September 2008

REPORT 105: Optimierung der Schutzmaßnahmen am

Schwemmkegel des Vorderbergerbaches,

St. Stefan im Gailtal

Band 3: Evaluierung des Übergangsbereich

Geschiebeablagerungsplatz – Dorfkünette (IST-Zustand)

Universität für Bodenkultur

Institut für Alpine Naturgefahren

Department Bautechnik und Naturgefahren

Peter Jordan Str. 82 Tel.: #43-1-47654-4350

A – 1190 Wien Fax: #43-1-47654-4390

Modellversuche Vorderbergerbach Band III Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis III

Tabellenverzeichnis VI

1. Einleitung 1

1.1. Hintergrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2. Problemstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3. Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2. Methodik 5

2.1. Vorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1.1. Vermessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1.2. Berechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1.2.1. Reinwasser (Hec-Ras) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1.2.2. Geschiebe (SETRAC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.1.3. Kalibrierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2. Versuchsanordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2.1. Sensorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.3. Modellaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3.1. Modellsohle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.3.2. Modellböschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.3.3. Dorfkünette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.4. Festlegung der Varianten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

I

Modellversuche Vorderbergerbach Band III Inhaltsverzeichnis

2.5. Festlegung der hydrologischen Szenarien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3. Resultate 16

3.1. Reinwasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.1.1. Geschwindigkeiten und Wasserspiegellagen . . . . . . . . . . . . . . 16

3.1.2. Auskolkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.1.3. Sohlsicherung der Künette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.2. Geschiebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.2.1. Wasserspiegellagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.2.2. Auskolkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4. Schlussfolgerungen 35

Literatur 39

Appendix I

A. Versuchsaufbau II

B. Versuche VI

II

Modellversuche Vorderbergerbach Band III Abbildungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1.1. Schwemmkegel des Vorderbergerbaches im Gailtal, Kärnten (Foto: WLV

Kärnten) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.1. Übersicht über die Profile im Modellbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2. Längsprofil der Rampe und des Geschiebeablagerungsplatz . . . . . . . . . 9

2.3. Einlaufbereich mit Lochplatte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.4. Übersicht über die Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.5. Modellübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.1. Profil 43 mit der Energielinie und Wasserspiegellage des 150 jährlichen

stationären Reinwasserabfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17





3.4. Rampenbereich linksufrig bei Reinwasserabfluss des HQ 150 . . . . . . . . 18

3.5. Rampenbereich rechtsufrig bei Reinwasserabfluss des HQ 150 . . . . . . . . 19

3.6. bewegliche Sohle nach stationären Reinwasserabfluss des HQ 150 [Sz3] . . . 21

3.7. Höhenmodell der Ablagerung nach stationären Reinwasserabfluss des HQ

150 [Sz3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.8. Höhenmodell der Ablagerung nach stationären Reinwasserabfluss des HQ

150 [Sz 3] mit Dammsicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.9. Ablagerung in der Künette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

III


3.10. Querwerk unterhalb der Rampe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.11. Wechselsprung bei stationären Reinwasserabfluss des HQ 150 . . . . . . . . 26

3.12. Wechselsprung bei stationären Reinwasserabfluss des HQ 150 mit Querwerk 26

3.13. Künettensohle ohne Sicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.14. Sicherung der Künettensohle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.15. Wasserspiegellagen im Künettenbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.16. Höhenmodell der Ablagerung nach der Ganglinie des HQ 150 mit Geschiebe 32

3.17. Höhenmodell der Ablagerung nach der Ganglinie des HQ 150 mit Geschiebe 33

4.1. Skizze der Dammsicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.2. Beginn der Absenkkurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

A.1. Uferböschung von Profil 41 bis Profil 35 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II

A.2. Uferböschung von Profil 45 bis Profil 41 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III

A.3. Abfahrt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III

A.4. Ablagerunshöhe der Vorverfüllung a) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV

A.5. Ablagerungshöhe der Vorverfüllung b) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V

B.1. Höhenmodelle der Ablagerungen nach stationären Reinwasserabfluss des

HQ 150 [Sz3], HQ 100 [Sz2] und HQ 30 [Sz1] . . . . . . . . . . . . . . . . VII

B.2. Sicherung der beweglichen Sohle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VIII

B.3. Sicherung der beweglichen Sohle nach HQ 150 mit Reinwasser . . . . . . . VIII

B.4. Höhenmodell der Ablagerung nach stationären Reinwasserabfluss des HQ

150 [Sz3] mit Sicherung der beweglichen Sohle . . . . . . . . . . . . . . . . IX

B.5. Dammsicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX

B.6. Rampensohle vor Sohlsicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . X

B.7. Profil 43 mit der Energielinie und Wasserspiegellage des 100 jährlichen

Maximalabflusses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XI



IV




B.10.Profil 43 mit der Energielinie und Wasserspiegellage des 30 jährlichen Ma-

ximalabflusses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XII

B.11.Profil 45 mit der Energielinie und Wasserspiegellage des 30 jährlichen Ma-

ximalabflusses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XII

B.12.Profil 128 mit der Energielinie und Wasserspiegellage des 30 jährlichen

Maximalabflusses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XII

V

Modellversuche Vorderbergerbach Band III Tabellenverzeichnis

Tabellenverzeichnis

2.1. Reinwasserabflussmenge in Natur und Modell . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2. Vergleich der Geschwindigkeiten und der Wasserspiegellagen im Profil 127

im Modellmaßstab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3.1. Freibord bei stationären Reinwasserabfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.2. Freibord bei der Ganglinie des HQ 150 mit Geschiebe . . . . . . . . . . . . 30

B.1. Wasserspiegllagen bei stationären Reinwasserabfluss . . . . . . . . . . . . . VI

B.2. Freibord bei der Ganglinie des HQ 150 mit Geschiebe . . . . . . . . . . . . VI

VI

Modellversuche Vorderbergerbach Band III 1. Einleitung

1. Einleitung

1.1. Hintergrund

Das Ereignis vom 29. August 2003 (siehe IAN REPORT 105 BAND 2 - „Optimierungdes Übergangsbereiches“) hat das Gefährdungspotenzial des Vorderbergerbachs verdeut-licht. Die damaligen Abflussmengen überstiegen deutlich die Abflussmengen, die bei derErstellung des Gefahrenzonenplanes abgeschätzt worden sind und führten zu Sediment-ablagerung außerhalb des Gerinnes. Zusätzlich kam es durch den hohen Wildholzanfall zuVerklausungen an der Landesstraßenbrücke. Der Sachschaden belief sich auf ca. 2.3 Mio.Euro (Porzer & Poglitsch 2008 bzw. Huebl et al. 2004).

Das Ereignis war ausschlaggebend für die Planung von umfangreichen Bauarbeiten zurSicherung der Katastralgemeinde Vorderberg, Ortsteil von St. Stefan. Die zuständigeDienststelle der Wildbach und Lawinenverbauung, die für den Bereich bis zum Geschiebe-ablagerungsplatz verantwortlich ist, begann mit Sicherungsmaßnahmen im Einzugsgebiet.Erst nach Fertigstellung der Bauarbeiten im Einzugsgebiet, soll mit den Umbauarbeitenim Geschiebeablagerungsplatz begonnen werden.

Abb. 1.1 zeigt das Orthophoto des Vorderbergerbaches vom Geschiebeablagerungsplatz biszur Mündung in die Gail. Die Kompetenzgrenze trennt die Zuständigkeit der Wildbach-und Lawinenverbauung und der Wasserbauverwaltung Hermagor (Amt der Kärntner Lan-desregierung, Abt. 18 Wasserwirtschaft).

Die Wasserbauverwaltung Hermagor, in deren Zuständigkeitsbereich die Dorfkünette liegt,hat mit den Umbauarbeiten schon begonnen. Die Landesstraßenbrücke wurde entferntund durch eine Behelfsbrücke ersetzt. Die Fertigstellung der neuen Landesstraßenbrückeund der Landesstraße im Westen des Vorderbergerbachs ist für Juni 2008 geplant. ImOrtsgebiet wurde die Bachsohle tiefer gelegt und mittels Stahlbetonschale befestigt. Zu-sätzlich wurde das Profil verbreitert. Die Uferböschungen werden mit in Beton verlegtenWasserbausteinen gesichert. Abhängig vom Platzangebot ist der Bau von Ufermauern

1


Abb. 1.1.: Schwemmkegel des Vorderbergerbaches im Gailtal, Kärnten (Foto: WLV Kärnten)

oder Dämmen geplant. Der durch die Absenkung entstandene Niveauunterschied von Ge-schiebeablagerungsplatz zur Dorfkünette wurde durch eine Rampe ausgeglichen, die denEinlauf in die Dorfkünette bis zur Fertigstellung des Geschiebeablagerungsplatz ermög-licht. Während des Umbaus der Ortsrinne wird der Vorderbergerbach durch ein Rohr mit1 m Durchmesser auf 570 m umgeleitet. Der Rohreinlass befindet sich wenige Meter vorder Rampe.

Der Vorderbergerbach zeichnet sich durch ein großes Geschiebevorkommen aus. Aufgrundder hohen Transportraten, die durch die Umgestaltung des Vorderbergerbaches um eini-ges höher als die der Gail sind, ist unterhalb der Dorfkünette eine Geschiebefalle geplant.Die Umbauarbeiten seitens der Wasserbauverwaltung Hermagor (Amt der Kärntner Lan-desregierung, Abt. 18 Wasserwirtschaft) sollen bis 2010 fertig gestellt werden (Porzer &Poglitsch 2008).

Im Teil 2 des Projektes ’Modellversuch Vorderberg’ wurde der Übergangsbereich vom Ge-schiebeablagerungsplatz im geplanten Ausbauzustand in die Dorfkünette untersucht, umeine möglichst optimale Einleitung zu ermöglichen. Im Zuge des Projektes kristallisiertesich die Frage heraus, inwieweit der derzeitige Istzustand des Übergangsbereichs (Ge-schiebeablagerungsplatz - Rampe - Künette) ausreichend Schutz bietet. Da Modell undMesseinrichtungen schon vorhanden sind, kann mit relativ geringen finanziellen Mitteln

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der derzeitige Umbauzustand evaluiert werden, um mögliche Sofortmaßnahmen zur Si-cherung des provisorischen Zustands einzuleiten, bzw. eine gewisse Prioritätenreihung dergenerellen Schutzmaßnahmen (Einzugsgebiet, Transportstrecke, Schwemmkegel) seitensder Wildbach- und Lawinenverbauung zu definieren.

1.2. Problemstellung

Die von der Wasserbauverwaltung Hermagor (Amt der Kärntner Landesregierung, Abt. 18Wasserwirtschaft) geplante Dorfkünette soll einen schadlosen Abtransport des zu erwar-tenden Abflussmenge bei einem 100 jährlichen Bemessungsereignis sichern. Da es bis zumUmbau des optimierten Geschiebeablagerungsplatzes mit reduziertem Gefälle noch einigeJahre dauern kann, muss die Sicherheit des Istzustandes überprüft werden. Es ist in kom-plexen Fließgeometrien nicht immer möglich, die mit dem Bemessungsabfluss verbundenVorgänge theoretisch so zu erfassen, dass hinreichend genaue Berechnungen durchführ-bar sind. Deshalb erscheint es in manchen Fällen sinnvoll, die notwendigen Erkenntnissemittels eines physikalischen Modellversuchs zu gewinnen (vgl.: Bollrich et al. 1989). ImFalle des Vorderbergerbachs sind dies vor allem Wasserspiegellagen, sowie Erosion undAblagerungserscheinungen im Bereich des Geschiebeablagerungsplatz.

1.3. Zielsetzung

Ziel des Modellversuchs im Maßstab 1:30 ist die Darstellung des Istzustands des Bereichsdes Geschiebeablagerungsplatzes bis zu der Dorfkünette basierend auf ähnlichkeitstheo-retischen Überlegungen, um daraus Erkenntnisse über die Sicherheit des momentanenZustands des Vorderbergerbachs zu gewinnen. Es gilt die Einhaltung des Freibords imabgebildeten Abschnitt und mögliche Auskolkungserscheinungen vor der Rampe oder anden Ufermauern zu untersuchen, welche eine Gefahr für den schadlosen Abtransport desBemessungsereignisses und der Standsicherheit der Rampe darstellen.

Konkret werden folgende Punkte untersucht:

• Wasserspiegellagen und Einhaltung des Freibords im Bereich des Geschiebeabla-gerungsplatzes und der Dorfkünette bei Reinwasserabfluss und Geschiebetrieb beiVorverfüllung

3


• Auskolkungserscheinungen an den Ufermauern

• Auskolkungen vor der Rampe

• Lage und Ausformung des Wechselsprungs

• Sohlsicherung in der Dorfkünette

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Modellversuche Vorderbergerbach Band III 2. Methodik

2. Methodik

2.1. Vorbereitung

2.1.1. Vermessung

Das vorhandene Geländemodell wurde aus einer Laserscanbefliegung direkt nach demHochwasserereignis generiert. Durch Bau- und Aufräumarbeiten hat sich der Geschiebe-ablagerungsplatz seit 2003 stark verändert (z.B. Einfahrt in den Geschiebeablagerungs-platz). Da für einen korrekten Nachbau des Istzustandes ein genaues Geländemodell Vor-aussetzung ist, war eine Neuvermessung vor allem im Rampenbereich unumgänglich. DieVermessung wurde mit Theodolit (Leica TC 1010) durchgeführt. Basierend auf dieser Da-tengrundlage, konnten die Sohlbreite und die Böschungshöhen ermittelt und skaliert imModell übernommen werden.

2.1.2. Berechnung

2.1.2.1. Reinwasser (Hec-Ras)

Da sich die Reinwasserabflussmengen für die Bemessungsereingnisse (HQ 30, HQ 100 undHQ 150) nicht verändert haben, wurden die Daten aus dem Bericht des Vorgängerprojektsdes IAN REPORT 105 BAND 2 - „Optimierung des Übergangsbereiches“ übernommen.Tab. 2.1 zeigt die berechnete Spitzenabflüsse der Jährlichkeiten des HQ 30, HQ 100 undHQ 150 und die in den Modellmaßstab 1:30 umgerechneten Werte.

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Tab. 2.1.: Reinwasserabflussmenge in Natur und ModellJährlichkeit Natur [m3/s] Modell [l/s]

HQ 30 80 16.2HQ 100 120 24.3HQ 150 136 27.6

2.1.2.2. Geschiebe (SETRAC)

Wie bei den vorhergehenden Teilprojekten wurden die Berechnungen zum Geschiebe-transport bei verschiedenen hydrologischen Szenarien mit dem Simulationsmodell SE-TRAC (Rickenmann et al. 2006) durchgeführt. SETRAC ist das Akronym für SEdimentTRansport Model in Alpine Catchments und wurde an der BOKU speziell für die Anwen-dung in Wildbacheinzugsgebieten entwickelt. Bei dem eindimensionalen Modell werdendie Abflussganglinien als kinematische Welle durch ein Gerinnesystem geleitet. Verschie-dene Ansätze zur Berechnung des Fließwiderstands stehen dem Anwender zur Auswahl.Zusätzlich kann der Einfluss der Formrauigkeit auf den Geschiebetransport berücksichtigtwerden. Verschiedene, für steile Gerinne geeignete Ansätze zur Berechnung des Geschie-betransports (Rickenmann 1990, 1991, Smart & Jäggi 1983) stehen zur Verfügung. DieQuerprofile werden zur Berechnung des Pegelschlüssels nach der Streifenmethode aufge-teilt. Die Anzahl der Streifen richtet sich dabei nach der Komplexität des Querprofils. Sokönnen auch gegliederte Profile gut abgebildet werden. In jedem Streifen wird neben derFließgeschwindigkeit auch der Geschiebetrieb berechnet. In SETRAC können auch Än-derungen der Gerinnegeometrie durch Auflandungen bzw. Erosion berücksichtigt werden,wobei jedem Berechnungsabschnitt eine mögliche Erosionstiefe zugewiesen wird.

2.1.3. Kalibrierung

Für die Kalibrierung des Modells wurden mit dem Programm HEC-Ras 3.1.3 die Abfluss-geschwindigkeiten und -tiefen berechnet. Die HEC-RAS Software des U.S. Army Corp ofEngineers’ River Analysis System berechnet eindimensional den Reinwasserabfluss vonkünstlichen und natürlichen Gerinnen. Es kann sowohl mit stationären als auch mit insta-tionären Fließeigenschaften gerechnet werden. Simuliert wurde von Profil 35 bis Profil 126(siehe Abb. 2.1). Die Rauigkeiten wurden aus den Berechnungen der Vorgängerprojektenentnommen:

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• im Geschiebeablagerungsplatz wurden Rauhigkeiten mit einem Stricklerwert kst =35 - 40 (Manning n um 0.028 - 0.05),

• im Rampen- und im Künettenbereich an den Böschungen kst = 25 (n=0.04) und inder Sohle kst = 20 (n = 0.05) verwendet.

Die benötigten Geometrien der Querprofile stammen aus der Vermessung des Geschiebe-ablagerungsplatz, bzw. aus den Plänen der Fa. Donaukonsult (Künettenbereich).

Errechnet wurden die Fließgeschwindigkeiten und die Abflusshöhen für das HQ 150(136 m3/s), HQ 100 (120 m3/s) und HQ 30 (80 m3/s). Der Vergleich der HEC-RAS3.1.3-Berechnung und den Messungen bzw. Beobachtungen aus dem physikalischen Modellergab Unterschiede im Bereich des Wechselsprungs. HEC-RAS 3.1.3 rechnete mit einemÜbergang von strömend zu schießenden Fließverhalten direkt nach der Rampe, währendim Modell noch ein schießender Abfluss bis zum Profil 128 zu beobachten war. Durchdieses Phänomen musste die Geschwindigkeitsmessungen zur Kalibrierung des Modellsweiter nach unten verlagert werden. Bei Profil 127 stellte sich im Modell ein strömenderAbfluss ein und der Vergleich der Ergebnisse aus der Hec-Ras 3.1.3 Simulation mit dengemessenen Werte aus dem Modell war an diesem Profil zufriedenstellend (siehe Tab.2.2).

Tab. 2.2.: Vergleich der Geschwindigkeiten und der Wasserspiegellagen im Profil 127 imModellmaßstab

Modell HEC-RASGeschwindigkeit (m/s) 0.73 0.79Wasserspiegelhöhe (cm) 11.9 11.7

2.2. Versuchsanordnung

Da es sich bei diesem Projekt um ein Nachfolgeprojekt des IAN REPORT 105 BAND2 - „Optimierung des Übergangsbereiches“ handelt, kann ein Teil der Versuchsanordnungsowie die Sensorik und die technischen Einrichtungen zur Versuchsdurchführung zum größ-ten Teil übernommen werden und wird hier nur im Überblick besprochen. Details sinddem Band I zu entnehmen.

Abb. 2.1 zeigt einen Laserscan des Modellbereichs mit den eingemessenen Profilen.

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Abb. 2.1.: Übersicht über die Profile im Modellbereich

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Abb. 2.2.: Längsprofil der Rampe und des Geschiebeablagerungsplatz

Die Neigung des Geschiebeablagerungsplatz beträgt im Mittel 2 %, durch seine konkaveForm im unteren Teil 1.7 %. Diese Neigung wurde direkt im Modell übernommen, da essich auch hier um ein unverzerrtes Modell handelt (Verkleinerungsmaßstab ist in allenKoordinatenrichtungen gleich). Der modellierte Bereich ist ab der Rampe flussaufwärts4.5 m lang, was in der Natur 135 m entspricht (siehe Abb. 2.1, Profil 45 bis Profil 35).

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Der Bereich der Rampe kann aufgrund der eigenen Vermessungen und der Profile bzw.dem Grundriss von der Wasserbauverwaltung Hermagor (Amt der Kärntner Landesre-gierung, Abt. 18 Wasserwirtschaft) sehr genau nachgebaut werden. Nachgebildet wirddas untere Drittel des Geschiebeablagerungsplatzes (siehe Abb. 1.1), der Rampenbereichund der obere Teil der Dorfkünette. Die Dorfkünette konnte 1:1 vom Vorgängerprojektübernommen werden.

Das Modell wurde auf der bestehenden Unterkonstruktion, aus miteinander verschraub-ten I-Trägern (IPE-120) aufgebaut. Mit den darauf montierten Holzträgern und den ver-schraubten Doka-Schalungplatten bildet es die Arbeitsplattform, worauf das Modell ge-baut wurde.

Das Fassungsvermögen des Wasserreservoirs des Murenlabors liegt bei 36 m3. Eine Pumpe(GRUNDFOS, Type CLP-180-271-18.5 A-F-A-BBUE) pumpt das Wasser in einen Behäl-ter. Die Pumpe hat eine maximale Förderleistung von 50 l/s. Den Auslass bildet einThomson-Wehr, welches als Messwehr dient. Das Geschiebe wird über ein Förderbandin die halbkreisförmige, glatte Halbschale eingebracht. Angetrieben wird das Förderbanddurch einen Elektromotor (Watt-Drive).

Nach Durchlaufen des Modellbereichs stürzt der Abfluss in ein Absetzbecken, wo dasGeschiebe und das Wasser wieder getrennt werden. Die Wasserversorgung und der Ge-schiebeeinlass wurden nicht verändert. Der Einlaufbereich musste jedoch der neuen Auf-gabenstellung angepasst werden.

Die Neigung des glatten Einlaufbereichs beträgt 1.8 %. Um eine gute Durchmischungzu erreichen, fällt das Wasser-Sedimentgemisch über einen Absturz von 15 cm in dasModell hinein. Unterhalb des Absturzes kommt es durch die entstehenden Turbulenzenzur Durchmischung und zusätzlich zur Verringerung der Fließgeschwindigkeit (Wechsel-sprung). Für die Beruhigung des Wassers wird eine Lochplatte von 6 cm Höhe unter demAbsturz angebracht. Um einen gleichmäßigen Sedimenteintrag über die gesamte Modell-breite zu sichern, wurde die Lochplatte um 2 cm angehoben. Es ist recht schwer eine„korrekte“ Verteilung des Geschiebeeintrags über eine Breite von ca. 60 m (Naturmaß-stab) in den Modellbereich nachzubilden, da eine Prognose aus der Natur ebenfalls mitgroßen Untersicherheiten verbunden ist.

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Abb. 2.3.: Einlaufbereich mit Lochplatte

2.2.1. Sensorik

• Durchfluss: Die Reinwasserabflussmenge wird einerseits über die Umdrehungszahlder Pumpe berechnet und andererseits über die Abflusstiefe am Thomsonwehr undeiner unabhängigen Durchflussmessung in einem Zuleitungsrohr kontrolliert. Diesedreifache Kontrolle ermöglicht höchste Genauigkeit bei der Abflusszugabe.

• Abflusstiefe: Die Abflusstiefe wird mit Ultraschallsensoren mit einer Genauigkeitvon 2 % gemessen. Abb. 2.4 zeigt die Anordnung der Sensoren 4 bis 7. Bei Profil130 und 129 wurde keine Ultraschallsensoren angebracht, da auf Grund des Wech-selsprungs keine aussagekräftigen Messungen zu erwarten sind. Die Sensoren 1 bis3 dienen zur Berechnung der Abflusstiefe im Thomsonwehr.

• Ablagerung: Durch die flächige photogrammetrische Erfassung der Modellsohlemittels Laserscanner können morphologische Veränderungen nach jedem Versuchauf +/- 1 mm Genauigkeit erfasst und ausgewertet werden. Die Richtungswinkelund Entfernungsangaben des Laserscanners werden mit einem speziell für die An-wendung programmierten Matlab-Programm in kartesische Koordinaten umgerech-net. Diese Daten können dann von dem Programm Surfer 8.0 gelesen werden und

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in ein Höhenmodell umgewandelt werden.

• Geschiebemenge: Die zugegebene Geschiebemenge wird über die Geschwindig-keit des Förderbands verändert. Gemessen wird die Förderbandgeschwindigkeit übereinen elektrischen Tachometer. Über einen trapezförmigen Querschnitt beim Vorrats-trichter kann die zugegebene Geschiebemenge exakt bestimmt werden. Kalibriertwurde die Sedimentzugabe über einen empirisch bestimmten Zusammenhang zwi-schen Förderbandgeschwindigkeit und Sedimentabgabe (siehe „IAN REPORT 105BAND 1- Optimierung der Schutzmaßnahmen am Schwemmkegel des Vorderber-gerbaches / St. Stefan - Optimierung des Geschiebeablagerungsplatzes“). Zusätzlichkann die Zugabe der Geschiebemenge durch eine spezielle Anwendung des Pro-gramms Surfer 8.0 überprüft werden. Dieses Programm ermöglicht die Differenzzwischen dem vorverfüllten und dem leeren Becken zu berechnen.

Abb. 2.4.: Übersicht über die Sensoren

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2.3. Modellaufbau

Der im Labor modellierte Ausschnitt des Vorderbergerbachs lässt sich in folgende dreiAbschnitte unterteilen:

• Geschiebeablagerungsplatz (Profil 35 - 45)

• Rampenbereich (Profil 45 - P130)

• Künettenbereich (Profil 130 - 128)

Abb. 2.5.: Modellübersicht

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2.3.1. Modellsohle

Aufgebaut ist die Modellsohle auf den bereits vorhandenen Grundplatten. Die Modellsoh-le wurde von Profil 35 bis zu Profil 41 als feste Sohle ausgeführt. Dieser Bereich wurde,wie die Böschungen auch, mit bewehrtem Estrich betoniert. Um eine höhere Rauigkeitzu erzielen, wurde auf den feuchten Estrich Quarzsand (D = 0,8 - 1.5 mm) gestreut. Dader Transport des Geschiebes in komplexer Wechselwirkung mit Geometrie und Fließ-vorgängen steht, wurde um eventuelle Auskolkungen und die Gefahr der Unterspülungder gesicherten Rampe und deren mögliches Versagen abzuschätzen, der untere Bereichdes Geschiebeablagerungsplatzes (von Profil 41 bis 45) mit einer bewegliche Sohle ausge-führt. Zur korrekten Nachbildung möglicher Kolkerscheinungen muss zusätzlich zur Frou-de’schen Ähnlichkeit auch die Ähnlichkeit bezüglich der Sedimentbewegung eingehaltenwerden (vgl.: Bollrich et al. 1989). Die bewegliche Sohle ist 5 cm tief und besteht ausQuarzsand mit einer Körnung von 0.8 - 1.5 mm.

2.3.2. Modellböschung

Entsprechend der Vermessung wurden die Böschungen aus Styrodur zugeschnitten undim oberen Bereich (Profil 35 bis Profil 41) mit Estrich überzogen. Um die der Naturentsprechenden Rauigkeiten abzubilden, wurde auf den feuchten Estrich Quarzsand derKörnung 0.8 - 1.5 mm gestreut. Die rechtsufrigen Böschungen von Profil 39 bis 41 wurdenaus Sand aufgeschüttet. Die Ufermauern im Bereich der beweglichen Sohle wurden ebensoaus Styrodur zugeschnitten. Anschließend wurden sie mit Fliesenkleber bestrichen und mit6 - 10 mm großen Kieseln belegt.

2.3.3. Dorfkünette

Dieser Teil des Modells hat sich gegenüber dem Vorgängerprojekt kaum verändet, daherwird hier nicht mehr darauf eingegangen.

2.4. Festlegung der Varianten

Es werden zwei Varianten unterschieden:

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• VA1 = Reinwasservariante: Die Reinwasservariante dient dazu, die Geschwin-digkeitsverteilung und Wasserspiegellagen in den jeweiligen Profilen in einem ers-ten Schritt zu bestimmen. Mit den Wasserspiegellagen können die Einhaltung desFreibords überprüft und die kritischen Bereiche identifiziert werden. Weiters sollenAuskolkungserscheinungen im Bereich der beweglichen Sohle, oberhalb der proviso-rischen Rampe, aber auch seitlich an den aufgeschütteten Böschungen beobachtetund dokumentiert werden. Die Reinwasservariante ermöglicht, einfache Maßnahmenzur Sicherung der kritischen Bereiche einzubauen und schnell zu evaluieren.

• VA2 = Geschiebevariante: Aufbauend auf den Erkenntnissen aus den Rein-wasserversuchen wird in einem nächsten Schritt das Erosions- und Ablagerungs-verhalten, sowie die Wassertiefen und mittlere Geschwindigkeit im Falle von Ge-schiebetransport untersucht. Ausgangspunkt dieser Versuche ist ein teilverfüllterAblagerungsplatz, wodurch auch die Versuchsdauer deutlich reduziert wird. Die Ge-schiebevariante (Variante 2) entspricht mehr der Realität als die Reinwasservariante(Variante 1) und stellt damit (auch aufgrund der Vorverfüllung) ein realistischesWorst-Case-Szenario dar. Es ist kaum zu erwarten, dass im Falle eines Hochwassersein Reinwasserabfluss über einen längeren Zeitraum zu beobachten ist. Der Nachteilgegenüber der Reinwasservariante besteht darin, dass Geschwindigkeitsmessungenmittels Messflügel nur bedingt möglich sind.

2.5. Festlegung der hydrologischen Szenarien

Es wurden drei verschiedene Szenarien unterschieden:

SZ 1 - Spitzenabfluss bei einem 30 jährlichen Bemessungsereignis,

SZ 2 - Spitzenabfluss bei einem 100 jährlichen Bemessungsereignis und

SZ 3 - Spitzenabfluss bei einem 150 jährlichen Bemessungsereignis.

Die Berechnung der maximalen Abflüsse wurde direkt aus den hydrologischen Berechnun-gen des Vorgängerprojekten übernommen (siehe „IAN REPORT 105 BAND 1 - Optimie-rung des Übergangsbereiches“). Die berechneten Ganglinien wurden der für den Istzustandermittelten Geschiebemengen angepasst und für die Simulation im Labor diskretisiert. DieGeschiebevariante (Variante 2) wurde mit zwei verschiedenen Vorverfüllungen durchge-führt.

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Modellversuche Vorderbergerbach Band III 3. Resultate

3. Resultate

3.1. Reinwasser

Es wurden alle drei Szenarien (HQ 30, HQ 100 und HQ 150) mit Reinwasserabfluss durch-geführt. Da lediglich Auskolkungserscheinungen im unteren Bereich des Geschiebeablage-rungsplatz relevante Ergebnisse bezüglich der Standsicherheit der provisorischen Rampeerwarten lassen, ist nur dieser Bereich als bewegliche Sohle ausgeführt und auch ausge-wertet worden.

3.1.1. Geschwindigkeiten und Wasserspiegellagen

Tab. 3.1 zeigt den Freibord bei einem stationären Reinwasserabfluss des HQ 30 (Sz1), HQ100 (Sz2) und des HQ 150 (Sz3). Der Freibord wurde aus der Differenz der Wasserspiegel-lagen und der Böschungshöhe errechnet, wobei in Profil 128 zwei Varianten unterschiedenwerden: Variante a) mit Ufermauer und Variante b) ohne Ufermauer.

Tab. 3.1.: Freibord bei stationären ReinwasserabflussProfil 43 Profil 45 Profil 128

Freibord [m] US 4 US 5 US 6 US 7 (a) US 7 (b)HQ 30 1.0 0.7 0.9 2.7 1.4HQ 100 0.6 0.3 0.6 2.4 1.1HQ 150 0.5 0.2 0.5 2.1 0.8

Der Freibord im Profi 128 (Künettenbereich) wird nur im Hochwasserfall des Maximalab-flusses des HQ 150 ohne Ufermauern (Variante b)) unterschritten. Im Geschiebeablage-rungsplatz dagegen wird der Freibord nur beim HQ 30 im Profil 43 eingehalten. In allenandern Fällen wird er mehr oder weniger stark unterschritten. Kritisch ist die Situationvor allem im Bereich des Geschiebeablagerungsplatzes während eines HQ 100 und einesHQ 150, wenn der Freibord nur noch 0.5 bis 0.2 m beträgt. Die Wahrscheinlichkeit für

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eine Überbordung ist nicht zu unterschätzen, da immer eine gewisse Unsicherheit in derPrognose von Abflussmengen einzukalkulieren ist.

Die Geschwindigkeitsmessung wurde an denselben Stellen durchgeführt, an denen auchdie Wasserspiegellagen gemessen wurden. Da die Geschwindigkeiten im Profil 45 durch dasKehrwasser (siehe Abb. 3.6) sehr große Unterschiede zeigen, wurden zwei Energiehöheneingezeichnet.

Abb. 3.1.: Profil 43 mit der Energielinie und Wasserspiegellage des 150 jährlichen stationärenReinwasserabfluss



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Abb. 3.1 bis 3.2 zeigen die Wasserspiegellagen, sowie die Lage der Energiehöhe aufgrundder beobachteten Geschwindigkeiten für die Profile 43, 45 und 128. Es zeigt sich, dass dieEnergielinie oberhalb der Rampe (Profil 43 und 45) aufgrund der geringen Geschwindig-keit des strömenden Abflussregimes (Fr < 1) relativ nahe der Böschungsoberkante liegt.Bei Forderung eines Freibords von 1 m wird dieser, wie schon erwähnt, in keinem der hy-drologischen Szenarien eingehalten. Es stellt sich die Frage, ob in Anbetracht der geringenzu erwartenden Geschwindigkeit und der Gerinnebreite in diesem Abschnitt trotz aller zuerwartender Unsicherheiten ein Freibord von 0,5 m im Mittel beim HQ 100 und HQ 150für ein Provisorium ausreicht.

Die Energiehöhe im Künettenbereich (Abb. 3.3) zeigt eine andere Situation. Die höhereFließgeschwindigkeit und der schießende Abfluss (Fr = 1) ergeben eine Energiehöhe diedeutlich oberhalb der Böschungsoberkante liegt. Der Freibord wird nur im Falle des Rein-wasserabflusses des HQ 150 ohne Ufermauern unterschritten. Die Geschwindigkeiten imProfil 128 ergaben beim Reinwasserabfluss des HQ 150 und dem des HQ 100 fast dieselbenGeschwindigkeiten.

Bei den Reinwasserabflüssen des HQ 150 und HQ 100 gibt es im Rampenbereich vorallemlinksufrig sehr geringe Freibordhöhen. Abb. 3.4 zeigt den Rampenbereich des orografischlinken und Abb. 3.5 des orografisch rechten Ufers.

Abb. 3.4.: Rampenbereich linksufrig bei Reinwasserabfluss des HQ 150

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Abb. 3.5.: Rampenbereich rechtsufrig bei Reinwasserabfluss des HQ 150

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Die Wasserspiegellagen im Bereich der Rampe sind nur knapp unterhalb der Böschungso-berkante. Hervorgerufen durch das Strömungsbild im Geschiebeablagerungsplatz wird dasorografisch linke Ufer stärker hydraulisch belastet. Das orografisch rechte Ufer wurde beikeinem Versuch überspült, doch auch hier liegt der Wasserspiegel nahe der Böschungso-berkante.

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3.1.2. Auskolkung

Abb. 3.6 und 3.7 zeigen den Bereich der beweglichen Sohle nach einem Reinwasserversuchmit HQ 150 (27.6 l/s) und einer Dauer von 15 min. (82 Minuten in der Natur). DieVersuche mit dem stationären Reinwasserabflusses des HQ 100 und des HQ 30 ergabenähnliche Ergebnisse wie die des HQ 150, lediglich in abgeschwächter Form.

Abb. 3.6.: bewegliche Sohle nach stationären Reinwasserabfluss des HQ 150 [Sz3]

Abb. 3.7.: Höhenmodell der Ablagerung nach stationären Reinwasserabfluss des HQ 150 [Sz3]

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Nach ca. 1 Min. (5 Min. in der Natur) Versuchsdauer ist eine Auskolkung im Bereich vonKolk 1 zu erkennen. Kolk 2 entsteht erst wenig später, ungefähr nach 4 Min. (22 Min.in der Natur). Zu diesem Zeitpunkt hat sich Kolk 1 schon bis zur festen Sohle erweitert.Die Ablagerung am orografisch linken Ufer ist relativ stark ausgeprägt und wird durchdas Kehrwasser hervorgerufen. Gegen Ende des Versuches ist weiters eine sehr geringeEintiefung mittig erkennbar.

Das 3D Strömungsbild auf der linken Seite dürfte von der Abfahrt in den Geschiebeab-lagerungsplatz induziert sein. Es stellt sich die Frage, ob sich in der Natur aufgrund vonErosionserscheinungen im Abfahrtsbereich dasselbe Strömungsbild einstellt, da die Ab-fahrt (siehe Anhang A) im Modell betoniert ist und somit fest und in Natur lediglich ausAufschüttungsmaterial besteht.

Um zu überprüfen, ob die beobachtete mittige Eintiefung sowie Kolk 1 durch den Über-gang von fester zu beweglicher Sohle hervorgerufen bzw. verstärkt worden ist, sind zusätz-liche Versuche mit einer Sicherung beim Übergang zur beweglichen Sohle durchgeführtworden. Diese wurde mit einer 3-4 cm breiten Schicht von Grobsteinen (1.5-5 cm) undeiner 2-3 cm breiten Schicht aus Kieseln (1-2 cm) gesichert (siehe Abb. B.2).

Das Höhenmodell der Ablagerung mit Sicherung der beweglichen Sohle (siehe Abb. B.3)zeigt, wie sich die Auskolkung am orografisch linken Ufer und am Beginn der beweglichenSohle trotz der Sicherung ausgebildet hat. Die Ablagerung hat sich um einige cm nach linksverschoben. Die Theorie über die Entstehung bzw. die Verstärkung der Auskolkung durchden Übergang von fester zur beweglicher Sohle erweist sich somit als nicht haltbar.

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Die Auskolkung am orografisch linken Ufer ist durch die vorgegebene Tiefe der beweglichenSohle beschränkt. Es ist aber anzunehmen, dass ohne diese Begrenzung mit einer tieferenAuskolkung zu rechnen wäre. Generell wird durch die Auskolkung Energie dissipiert, diedadurch nicht weiter ’“transportiert’“ wird. Probleme entstehen, wenn die Auskolkung sotief wird, dass eine Gefahr (unterspülen, einsacken oder wegbrechen) für die Ufermauerentsteht. Deshalb wurden Versuche mit einer Dammsicherung, aus einer 6 cm breitenund 35 cm langen Steinschlichtung (siehe Abb. B.5) aus Grobsteinen (1.5-5 cm), durch-geführt. Gesichert wurde das orografisch linke Ufer, an dem bei den vorherigen VersuchenAuskolkungen zu beobachten waren. Die Versuche mit der Steinschlichtung wurden zu-erst 2-lagig und später 1-lagig durchgeführt. Wie das Höhenmodell der Ablagerung mitDammsicherung (Abb. 3.8) zeigt, bilden sich auch in der 1-lagigen Ausführung kaum mehrAuskolkungen aus. Eine 2-lagige Steinschlichtung ist somit nicht notwendig. Die hier emp-fohlene Steingröße sollte bei der Umsetzung weder unterschritten (Steinstabilität) nochüberschritten (Einsinken der Steine in den Untergrund) werden.

Abb. 3.8.: Höhenmodell der Ablagerung nach stationären Reinwasserabfluss des HQ 150 [Sz 3] mitDammsicherung

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Der Hauptabfluss erfolgt am orografisch rechten Ufer und es bilden sich durch das un-gestörte Abflussregime kaum Auskolkungen aus. Bei Profil 42 ist im Höhenmodell derAblagerung (siehe Abb. 3.8) eine sehr geringe Eintiefung zu erkennen und bei Profil 43eine leichte Ablagerung.

Das ausgespülte Geschiebe lagerte sich im Künettenbereich hauptsächlich rechtsufrig imBereich nach der Rampe, also zwischen Profil 130 und 129 ab. Schon nach wenigen Mi-nuten hat sich eine wenige cm hohe Ablagerung ausgebildet (siehe Abb. 3.9).

Abb. 3.9.: Ablagerung in der Künette

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Die Ablagerung im Künettenbereich wird durch den mittig konzentrierten Abfluss undeinen kaum ausgeprägten Wechselsprung hervorgerufen und verringert den Freibord nachder Rampe (Profil 130 und Profil 129). Der Schussstrahl verursacht eine hohe Welle imBereich des linken Ufers, die bei gering anderen geometrischen Verhältnissen leicht über-borden kann. Es wurden Versuche mit einem Einbau, wie in Abb. 3.10 schematisch dar-gestellt, mit unterschiedlichen Höhen und unterschiedlichen Abständen zum Profil 45durchgeführt, um eine voll ausgeprägten Wechselsprung zu erhalten. Das beste Ergebnisergab der Versuch mit einem Einbau von 8 cm Höhe im Modell (entspricht 2.4 m in derNatur) und einem Abstand von 68 cm (entspricht 20.4 m in der Natur) vom Profil 45.

Abb. 3.10.: Querwerk unterhalb der Rampe

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Abb. 3.11.: Wechselsprung bei stationären Reinwasserabfluss des HQ 150

Abb. 3.12.: Wechselsprung bei stationären Reinwasserabfluss des HQ 150 mit Querwerk

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Der Vergleich der Abb. 3.11 mit der Abb. 3.12 zeigt die Veränderung des Fließwechselsdurch das Querwerk. Das Querwerk verändert den Fließwechsel dahingehend, dass die Wel-lenbildung verringert und ein kontinuierlicher Abfluss erreicht wird. Ein weiterer Effektdieses Querwerks ist die Reduktion der kinetischen Energie des Abflusses in einer kürzerenDistanz innerhalb der Künette und ein damit kontrollierter Abfluss ab Profil 128. Proble-matisch erweist sich die starke hydraulische Belastung eines solchen Querwerks und diedamit erforderlichen konstruktiven Maßnahmen, sowie der Effekt einer solchen Einbautebei starkem Geschiebetrieb auf die Anlandungserscheinungen in der Künettenstrecke.

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3.1.3. Sohlsicherung der Künette

In einem ersten Schritt wurde die Sohlsicherung in der Künette unterhalb der Rampevon Profil 130 bis Profil 128 (siehe Abb. 3.14) ausgeführt. Bei allen drei Szenarien wurdedie Grobsteinschlichtungen ca. 34 cm nach der Rampe (entspricht 10.2 m in der Natur)schon nach wenigen Minuten ausgezogen (siehe Abb. B.6). Dieses Phänomen ist auf denschießenden Abfluss und die damit verbundene starke hydraulische Belastung unterhalbder Rampe zurückzuführen. Durch eine Verlängerung der Befestigung der Grobsteine um81 cm (entspricht 24.3 m), wie sie auch im Bereich der Rampe zu finden ist, konnte diesesPhänomen vollkommen unterbunden werden (siehe Abb. 3.14).

Abb. 3.13.: Künettensohle ohne Sicherung

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Abb. 3.14.: Sicherung der Künettensohle

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3.2. Geschiebe

Die Geschiebeversuche wurden mit zwei verschiedenen Vorverfüllungen durchgeführt. Ba-sierend auf den berechneten Geschiebemengen des IAN REPORT 105 BAND 2 - „Opti-mierung des Übergangsbereiches“ wurden zwei verschiedene Szenarien einer Vorverfüllun-gen entwickelt. Die Geschiebemenge für Vorverfüllung a) basiert auf der Annahme, dassder Großteil des Geschiebes deutlich oberhalb des Modellbereichs abgelagert wird. Fürdiese Variante wurden 40 cm3/s (ca. 0.2 m3/s in der Natur) mit einem Reinwasserflussvon 24.3 l/s (entspricht 120 m3/s in der Natur) für 20 min vorverfüllt. Die niedrigereFließgeschwindigkeit führt zu geringeren Transportraten und dadurch zu einer flacherenAblagerung verglichen mit dem Verlandungsgefälle bei einem HQ 150 Szenario. Für dieVorverfüllung b) wurde ein höherer Geschiebeeintrag gewählt. Hierfür wurden 140 cm3/s(ca. 0.69 m3/s in der Natur) für einen Zeitraum von 10 min, bei einem Reinwasserflussvon 27.6 l/s (136 m3/s in der Natur) gewählt. Durch die hohen Transportraten, wurdeauch ein kleiner Teil des Geschiebe in der Dorfkünette abgelagert, was für den folgenden„Geschiebeversuch“ allerdings von geringer Bedeutung ist. Aber auch insgesamt ist dieAblagerungsmenge der Vorverfüllung b) um einiges höher als der Vorverfüllung a).

3.2.1. Wasserspiegellagen

Da eine Geschwindigkeitsmessung bei starker Geschiebeführung den Messflügel beschä-digen kann, wurden hauptsächlich die Wasserspiegellagen gemessen, aus welchen bei be-kanntem Q und Flussquerschnitt die mittlere Geschwindigkeit abgeleitet werden kann.Generell zeigt sich, dass die Wasserspiegellagen von der Variante 1 (Reinwasser) sich stark

Profil 43 Profil 45Freibord [m] US 4 US 5 US6HQ 150 mit Vorverfüllung (a) 1.0 1.2 1.3HQ 150 mit Vorverfüllung (b) 1.2 1.2 1.2

Tab. 3.2.: Freibord bei der Ganglinie des HQ 150 mit Geschiebe

von der Variante 2 (mit Geschiebe) unterscheiden. Während der Freibord bei der Variante1 (Reinwasser) einzig im Szenario 1 (HQ 30) eingehalten wird, wird dieser bei der Variante2 (mit Geschiebe) nie unterschritten. Durch die kontinuierlicher Sedimentablagerung imGeschiebeablagerungsbereich oberhalb der Rampe kommt es zur Ausbildung einer steile-ren Bachsohle. Das führt zu einer Erhöhung der Fließgeschwindigkeiten und gleichzeitig zu

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Abb. 3.15.: Wasserspiegellagen im Künettenbereich

der Reduktion der Abflusstiefe. Dieser Effekt wirkt sich positiv auf die tatsächliche Höhedes Freibords aus. Da eine starke Ablagerung im Künettenbereich aufgetreten ist, wur-de zusätzlich die Einhaltung des Freibords im Künettenbereich untersucht (Profil 128).Eine Ultraschallmessung war aus technischen Gründen nicht möglich, daher wurde dieEinhaltung des Freibord mittels Bildauswertung erfasst.

Abb. 3.15 zeigt die Wasserspiegellagen im Künettenbereich (Profil 130 bis 128). Das Ab-flussregime ist durch starke Wellenbildung gekennzeichnet. Dadurch wird der geforderteFreibord stellenweise unterschritten. Obwohl eine Wellenbildung auch in der Natur zuerwarten ist, sind jedoch die beobachteten Strömungzustände in diesem Bereich nicht 1:1in die Natur übertragbar.

3.2.2. Auskolkung

Abb. 3.16 zeigt das Höhenmodell der Ablagerung nach der Ganglinie des HQ 150 mitGeschiebe und der Vorverfüllung a).

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Abb. 3.16.: Höhenmodell der Ablagerung nach der Ganglinie des HQ 150 mit Geschiebe

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Abb. 3.17 zeigt das Höhenmodell der Ablagerung nach der Ganglinie des HQ 150 mitGeschiebe und der Vorverfüllung b).

Abb. 3.17.: Höhenmodell der Ablagerung nach der Ganglinie des HQ 150 mit Geschiebe

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Die Variante 2 (Geschiebe) zeigte durch die ständige Geschiebezufuhr etwas veränder-te Auskolkungserscheinungen wie bei der Variante 1 (Reinwasser). Im Gegensatz zu denReinwasserversuchen, wo die Auskolkungen nur am orografisch linken Ufer aufgetretensind, wechselten die beobachteten Auskolkerscheinungen bei den Geschiebeversuchen überdie gesamte Sohlbreite. Dieser Effekt hängt mit großer Wahrscheinlichkeit mit der dyna-mischen Sohlevolution im Oberlauf zusammen. Das Höhenmodell der Ablagerung mitVorverfüllung a) lässt keine linksufrige Auskolkung mehr erkennen. Dagegen zeigte sichbei den Versuchen mit Vorverfüllung b) eine ähnliche Ablagerung wie sie bei der Vari-ante 1 zu beobachten war. Generell ist das orografisch linke Ufer tendenziell hydraulischstärker belastet als das rechte. Eine Dammsicherung durch Wasserbausteine am linkenUfer erscheint ratsam, hingegen erfordern die beobachteten Erosionen der Böschungenam orografisch rechten Ufer keine zusätzlichen Sicherungsmaßnahmen.

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Modellversuche Vorderbergerbach Band III 4. Schlussfolgerungen

4. Schlussfolgerungen

• Einhaltung des Freibords:

Die Wasserspiegellagen im Reinwasserfall lagen speziell im Bereich der beweglichenSohle nahe der Böschungsoberkante. Der Freibord im Künettenbereich wurde ein-gehalten und es zeigte sich, dass die Künette ausreichend dimensioniert ist. Bei denGeschiebeversuchen wurde das Sohlevolution Freibord nahezu bei allen Profilen, andenen die Wasserspiegellage gemessen wurde, eingehalten. Die geringere Abfluss-höhe wird durch das steilere Gefälle bei Geschiebeversuchen mit Vorverfüllung alsbeim original Gefälle hervorgerufen. Der Wechselsprung und das damit verbundeneStrömungsbild führt im Künettenbereich zu lokalen Verringerungen des Freibords.Im Rampenbereich lag sowohl bei den Geschiebeversuchen als auch bei den Reinwas-serversuchen der Wasserspiegel nahe der Böschungsoberkante. Eine Erhöhung derUfermauern in diesem Bereich erscheint als sinnvoll und ratsam, da diese einfacheund kostengünstige Maßnahme den Anrainern eine höhere Sicherheit gewährleistet.Eine weitere Möglichkeit wäre die Rampe flacher auszuführen, was aber auch zu ei-ner Veränderung des Wechselsprunges und des Abflusses im Künettenbereich führenwürde.

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• Auskolkungserscheinungen an den Ufermauern:

Die Auskolkungserscheinungen am orografisch linken Ufer waren bei den Reinwas-serversuchen in allen Szenarien sehr stark ausgeprägt. Eine Sicherung mit Wasser-bausteinen erscheint ratsam. Wie erwartet, waren bei den Geschiebeversuchen sol-che Auskolkungserscheinungen durch den erheblichen Geschiebetrieb geringer aus-geprägt. Eine Skizze der vorgeschlagenen Sicherungsmaßnahme gibt Abb. 4.1. Dieempfohlene Steingröße von 0.5 - 1.5 m sollte bei der Umsetzung weder unterschrit-ten (Steinstabilität) noch Überschritten (Einsinken der Steine in den Untergrund)werden.

Abb. 4.1.: Skizze der Dammsicherung

• Auskolkungserscheinungen vor der Rampe:

Eine Beschädigung oder Zerstörung der Rampe, hervorgerufen durch Auskolkungenoberhalb dieser, ist am Vorderbergerbach nicht zu erwarten. Die Verringerung desWasserspiegels und die starke Beschleunigung des Wassers aufgrund des Übergangsvom strömenden zu schießendem Abfluss findet erst auf der gesicherten Rampeno-berkante statt. Es waren keine Auskolkungen vor der Rampe zu erkennen und essind dementsprechend keine besonderen Maßnahmen erforderlich.

• Lage und Ausformung des Wechselsprungs:

Der Fließwechsel zwischen schießendem und strömendem Abfluss findet nicht direktunterhalb der Rampe statt. Es ist auch kein eindeutiger Wechselsprung. Das Wasser

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Abb. 4.2.: Beginn der Absenkkurve

schießt mit sehr hoher Geschwindigkeit in die Künette und die Froudzahl liegt in die-sem Bereich ungefähr bei eins. Versuche mit einem künstlichen Querwerk unterhalbder Rampe haben ergeben, dass es sehr wohl möglich ist, einen gut ausgeprägtenWechselsprung zu indizieren, wodurch der Abfluss schon weiter oben in der Künet-te beruhigt wird und das Wasser somit kontrollierter abfließen kann. Zu beachtenbleibt jedoch, dass ein solches Querwerk einer hohen hydraulischen Belastung aus-gesetzt ist, und dementsprechend stabil ausgeführt werden sollte. Da allerdings auchim derzeitigen Zustand keine besonders kritischen Abflusssituationen zu beobach-ten waren, ist es fraglich, ob sich eine solche massive Maßnahme für ein Provisoriumlohnt. Falls die Entscheidung für ein Querwerk fällt, wären jedenfalls zusätzlicheVersuche auch im Zusammenhang den zu erwartenden Anlandungserscheinungenbei starkem Geschiebetransport anzuraten.

• Sohlsicherung in der Künette:

Ein Ausziehen der Wasserbausteine an der Künettensohle konnte sowohl im Rein-wasserfall als auch bei Geschiebeversuchen beobachtet werden. Dieses Problem istauf den schwach ausgeprägten Wechselsprung mit den hohen Fließgeschwindigkei-

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ten und der höheren Transportkapazität zurückzuführen. Dadurch wird das obenbeschriebene Ausziehen der Wasserbausteine bis weit in die Künette induziert. EineSicherung der Sohle bis knapp oberhalb des Profils 128 (ca. 35 m unterhalb derRampe), wie sie auch im Rampenbereich zu finden ist, ist in jedem Fall empfehlens-wert.

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Modellversuche Vorderbergerbach Band III Literaturverzeichnis

Literaturverzeichnis

Bollrich, G., G. Preissler, and H. Martin (1989). Technische Hydromechanik: Band 2:Spezielle Probleme (1. Aufl. ed.). Berlin: Verlag Bauwesen.

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Huebl, J., D. Leber, M. Brauner, and G. Volk (2004). WLS Report 99: Dokumentationder Unwetterereignisse in den Gemeinden St. Stefan/Vorderberg und Feistritz an derGail vom 29. August 2003. unveroeffentlicht.

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Porzer, W. and H. Poglitsch (2008). Hochwasserschutz vorderberg unter dem aspekt ge-schiebetransport und binnenstau. In F. INTERPRAEVENT (Ed.), Schutz des Lebens-raumes vor Hochwasser, Muren, Massenbewegungen und Lawinen, pp. 445–453. KreinerDruck.

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Modellversuche Vorderbergerbach Band III Literaturverzeichnis

Smart, G. and M. Jaeggi (1983). Sedimenttransport in steilen Gerinnen, Volume 63 ofMitteilungen der VAW. Zuerich.

I

Modellversuche Vorderbergerbach Band III A. Versuchsaufbau

A. Versuchsaufbau

Abb. A.1.: Uferböschung von Profil 41 bis Profil 35

II


Abb. A.2.: Uferböschung von Profil 45 bis Profil 41

Abb. A.3.: Abfahrt

III


Abb. A.4.: Ablagerunshöhe der Vorverfüllung a)

IV


Abb. A.5.: Ablagerungshöhe der Vorverfüllung b)

V

Modellversuche Vorderbergerbach Band III B. Versuche

B. Versuche

Profil 43 Profil 45US 4 US 5 US 5

Natur [m] Modell [mm] Natur [m] Modell [mm] Natur [m] Modell [mm]HQ 150 1.21 40.39 1.42 47.28 1.27 42.29HQ 100 1.58 52.56 1.87 62.49 1.60 53.45HQ 30 1.69 56.32 1.96 65.39 1.73 57.65

Tab. B.1.: Wasserspiegllagen bei stationären Reinwasserabfluss

Profil 43 Profil 45 Profil 128US 4 US 5 US 5 US 7

Natur Modell Natur Modell Natur Modell Natur Modell[m] [mm] [m] [mm] [m] [mm] [m] [mm]

HQ 150mit Vorverfüllung 1 1.27 42.41 0.94 31.19 0.93 31.14 1.81 60.49

HQ 150mit Vorverfüllung 2 1.05 35.00 0.95 31.64 0.81 27.16 1.57 52.40

Tab. B.2.: Freibord bei der Ganglinie des HQ 150 mit Geschiebe

VI


(a) Höhenmodell VA1 Qs SZ3

(b) Höhenmodell A1 Qs SZ2

(c) Höhenmodell A1 Qs SZ1

Abb. B.1.: Höhenmodelle der Ablagerungen nach stationären Reinwasserabfluss des HQ 150 [Sz3], HQ100 [Sz2] und HQ 30 [Sz1]

VII


Abb. B.2.: Sicherung der beweglichen Sohle

Abb. B.3.: Sicherung der beweglichen Sohle nach HQ 150 mit Reinwasser

VIII


Abb. B.4.: Höhenmodell der Ablagerung nach stationären Reinwasserabfluss des HQ 150 [Sz3] mitSicherung der beweglichen Sohle

Abb. B.5.: Dammsicherung

IX


Abb. B.6.: Rampensohle vor Sohlsicherung

X


Abb. B.7.: Profil 43 mit der Energielinie und Wasserspiegellage des 100 jährlichen Maximalabflusses



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