Rutschenüberlauf des Llyn-Brianne- Staudamms in Wales

Ein Überlauf ist eine Anlage zur kontrollierten Ableitung von Wasser aus einem Damm oder Deich , typischerweise flussabwärts in den gestauten Fluss. In Großbritannien wird er auch als Überlaufkanal bezeichnet . Ein Überlauf verhindert, dass Wasser Teile der Anlage beschädigt, die nicht für die Wasserführung ausgelegt sind.

Überläufe können mit Schleusentoren und Sicherungsventilen ausgestattet sein , um den Wasserdurchfluss und den Stauseepegel zu regulieren. Solche Vorrichtungen ermöglichen es, den Abfluss flussabwärts zu steuern und so den Betreibern des Staudamms zu erlauben, Wasser kontrolliert abzulassen, bevor der Stausee voll ist. Dadurch wird ein unzulässig großer Abfluss zu einem späteren Zeitpunkt verhindert.

Weitere Verwendungen des Begriffs „Überlauf“ umfassen Umgehungen von Dämmen und Auslässe von Kanälen, die bei Hochwasser genutzt werden, sowie Auslaufkanäle, die durch natürliche Dämme wie Moränen gegraben werden .

Normalerweise fließt Wasser nur während Hochwasserperioden über einen Überlauf, wenn der Stausee seine Kapazität erreicht hat und weiterhin schneller Wasser einströmt, als es durch Druckrohrleitungen oder Einlauftürme, die zur routinemäßigen Steuerung der Wasserabgabe für Zwecke wie die Wasserversorgung für Bewässerung und Wasserkrafterzeugung eingesetzt werden, abgelassen werden kann .

Typen

Ein Überlauf befindet sich in der Nähe des oberen Randes des Stausees . Staudämme können auch über Bodenabflüsse mit Ventilen oder Toren verfügen, die zur Ableitung von Hochwasser betätigt werden können, und einige Staudämme besitzen keine Überläufe und sind ausschließlich auf Bodenabflüsse angewiesen.

Querschnitt eines typischen Überlaufs mit Tainter-Schützen

Die beiden Haupttypen von Überläufen sind regulierte und unregulierte Überläufe.

Ein kontrollierter Überlauf verfügt über mechanische Vorrichtungen oder Tore zur Regulierung der Durchflussmenge. Diese Konstruktion ermöglicht es, nahezu die gesamte Dammhöhe ganzjährig zur Wasserspeicherung zu nutzen, und Hochwasser kann bei Bedarf durch Öffnen eines oder mehrerer Tore abgelassen werden.

Ein unkontrollierter Überlauf hingegen besitzt keine Schleusentore; sobald das Wasser die Überlaufkante überschreitet, wird es aus dem Stausee abgelassen. Die Abflussmenge wird ausschließlich durch den Wasserstand über dem Überlauf bestimmt. Der Teil des Speichervolumens im Stausee oberhalb der Überlaufkante kann nur zur vorübergehenden Speicherung von Hochwasser genutzt werden; er eignet sich nicht als Trinkwasserspeicher, da er höher liegt als die maximale Rückhaltekapazität des Staudamms.

Bei einem Damm mit mittlerem Wasserstand wird der normale Wasserstand des Stausees durch mechanische Schleusentore reguliert. In diesem Fall ist der Damm nicht für einen Überlauf ausgelegt, sei es aufgrund der verwendeten Baumaterialien oder der Gegebenheiten direkt unterhalb des Damms. Übersteigt der Zufluss in den Stausee die Kapazität der Schleusentore, leitet ein künstlicher Kanal, der sogenannte Hilfs- oder Notüberlauf, das Wasser ab. Dieser ist häufig durch einen Sicherungsstopfen blockiert . Dieser Sicherungsstopfen ist so konstruiert, dass er bei einem Hochwasser, das die Abflusskapazität der Überlauftore übersteigt, weggespült wird. Obwohl die Wiederherstellung des Sicherungsstopfens und des Kanals nach einem solchen Ereignis mehrere Monate dauern kann, sind die Gesamtschäden und Reparaturkosten geringer als bei einem Überlauf der Hauptstauanlagen. Das Sicherungsstopfen-Konzept kommt dort zum Einsatz, wo der Bau eines Überlaufs mit der erforderlichen Kapazität zu kostspielig wäre.

Offener Kanalüberlauf

Rutschenüberlauf

Ein Rutschenüberlauf ist eine gängige und einfache Konstruktion, die überschüssiges Wasser hinter dem Damm über ein sanftes Gefälle in den darunterliegenden Fluss leitet. Diese Überläufe sind üblicherweise in Form einer Ogee-Kurve ausgeführt . Meist sind sie am Boden und an den Seiten mit Beton ausgekleidet, um den Damm und die Topografie zu schützen. Sie können über eine Steuerungseinrichtung verfügen, und bei beengten Platz- und Budgetverhältnissen sind manche Ausführungen dünner und mehrlagig. Zudem sind sie nicht immer darauf ausgelegt, Energie wie gestufte Überläufe zu abbauen. Rutschenüberläufe können mit einer Prallplatte aus Betonblöcken versehen sein, verfügen aber üblicherweise über eine Überlaufkante und/oder ein Dämpfungsbecken, das einen hydraulischen Sprung erzeugt und so den Dammfuß vor Erosion schützt. [ 1 ]

gestufter Überlauf

Ein gestufter, mit Leitblechen versehener Überlauf des Yeoman Hey-Stausees im Peak District in England

Gestufte Kanäle und Überläufe werden seit über 3000 Jahren eingesetzt. [ 2 ] Obwohl sie Mitte des 20. Jahrhunderts von moderneren Ingenieurtechniken wie hydraulischen Sprüngen abgelöst wurden, ist das Interesse an gestuften Überläufen und Rutschen seit etwa 1985 [ 3 ] wieder gestiegen, unter anderem aufgrund der Verwendung neuer Baustoffe (z. B. Walzbeton , Gabionen ) und Konstruktionstechniken (z. B. Dammüberlaufschutz). [ 4 ] [ 5 ] Die Stufen bewirken eine erhebliche Energiedissipation entlang der Rutsche [ 6 ] und reduzieren die Größe des erforderlichen Energiedissipationsbeckens stromabwärts. [ 7 ] [ 8 ]

Die Forschung zu diesem Thema ist weiterhin aktiv, mit neueren Entwicklungen bei Überlaufschutzsystemen für Staudämme [ 8 ] , konvergierenden Überläufen [ 9 ] und der Konstruktion kleiner Wehre. [ 10 ]

Glockenmündungsüberlauf

Seit dem Bau des trichterförmigen Überlaufs von Covão dos Conchos in Portugal im Jahr 1955 hat sich dort so viel Vegetation angesiedelt , dass er einer natürlichen Formation ähnelt.
Glory Hole-Überlauf im Lake Berryessa , Kalifornien, im März 2017
Überlaufbecken des O'Neill-Vorbeckens des San-Luis-Stausees in der Nähe von Los Banos, Kalifornien

Ein Glockenüberlauf ist wie eine umgedrehte Glocke konstruiert , durch die Wasser rundum einströmen kann. [ 11 ] Diese unkontrollierten Überläufe werden auch als Prunkwindenüberläufe (nach der Blume ), Glory Holes oder Schachtüberläufe bezeichnet . [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] In Gebieten, in denen die Oberfläche des Stausees zufrieren kann, ist diese Art von Überlauf üblicherweise mit Eisbrechern ausgestattet, um ein Zufrieren zu verhindern.

Einige trichterförmige Überläufe werden durch ein Tor gesteuert. Der höchste trichterförmige Überlauf der Welt befindet sich am Hungry Horse Dam in Montana, USA, und wird durch ein 19,5 × 3,7 m großes Ringtor reguliert. [ 15 ] Der größte trichterförmige Überlauf befindet sich am Geehi Dam in New South Wales, Australien, und hat einen Durchmesser von 32 m an der Seeoberfläche. [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]

Siphon-Überlauf

Ein Siphonüberlauf nutzt den Höhenunterschied zwischen Einlauf und Auslauf, um den erforderlichen Druckunterschied zum Abführen von überschüssigem Wasser zu erzeugen. Siphons müssen vor der Funktion entlüftet werden, und die meisten Siphonüberläufe sind so konstruiert, dass sie die Entlüftung automatisch mit Wasser durchführen. Ein Beispiel hierfür ist der Spiralsiphon , der Spiralen oder Lamellen an einem Trichter verwendet, um einen Wasserwirbel zu erzeugen, der die Luft aus dem System saugt. Die Entlüftung erfolgt automatisch, sobald der Wasserstand über die Einläufe steigt. [ 19 ]

Andere Arten

Der Ogee-Dammkamm überragt einen Damm, ein Seitenkanal schmiegt sich an die Topografie eines Damms an, und ein Labyrinth nutzt ein Zickzack-Design, um die Schwellenlänge für eine schlankere Konstruktion und einen höheren Abfluss zu vergrößern. Ein Falleinlauf ähnelt einem Einlauf eines Wasserkraftwerks und leitet Wasser von hinter dem Damm direkt durch Tunnel in den Fluss flussabwärts. [ 20 ]

Designüberlegungen

Ein wichtiger Parameter bei der Auslegung von Überlaufanlagen ist das maximale Hochwasser, für das sie ausgelegt sind. Die Bauwerke müssen dem entsprechenden Bemessungshochwasser (auch Zufluss-Bemessungshochwasser genannt) sicher standhalten. Die Größe des Bemessungshochwassers wird in den Richtlinien zur Dammsicherheit anhand der Größe des Bauwerks und des potenziellen Schadens an Menschenleben oder Sachwerten flussabwärts festgelegt. Die Hochwasserstärke wird mitunter als Wiederkehrperiode angegeben . Ein 100-jähriges Wiederkehrintervall bezeichnet die Hochwasserstärke, die im Durchschnitt einmal in 100 Jahren überschritten wird. Dieser Parameter kann als Überschreitungshäufigkeit mit einer Wahrscheinlichkeit von 1 % pro Jahr ausgedrückt werden. Das während des Bemessungshochwassers zu erwartende Wasservolumen wird durch hydrologische Berechnungen des Einzugsgebiets oberhalb der Anlage ermittelt. Die Wiederkehrperiode wird in den Richtlinien zur Dammsicherheit anhand der Größe des Bauwerks und des potenziellen Schadens an Menschenleben oder Sachwerten flussabwärts festgelegt.

Das United States Army Corps of Engineers stützt seine Anforderungen auf das wahrscheinliche maximale Hochwasser (PMF) [ 21 ] und den wahrscheinlichen maximalen Niederschlag (PMP). Der PMP ist der größte Niederschlag, der im Einzugsgebiet oberhalb des Hochwassers physikalisch möglich erscheint. [ 22 ] Für Dämme mit geringerem Gefahrenpotenzial kann ein IDF (Integrated Deficiency Flow) unterhalb des PMF zulässig sein.

Energiedissipation

Ein Tosbecken des Typs III des US Bureau of Reclamation

Wenn Wasser über einen Überlauf und durch die Rutsche fließt, wandelt sich potenzielle Energie in zunehmende kinetische Energie um . Wird diese Energie nicht abgeführt, kann es zu Ausspülungen und Erosion am Dammfuß (Basis) kommen. Dies kann Schäden am Überlauf verursachen und die Stabilität des Damms beeinträchtigen. [ 23 ] Um diese Energie zu veranschaulichen: Die Überläufe des Tarbela-Staudamms könnten bei voller Auslastung 40.000 MW erzeugen; das entspricht etwa dem Zehnfachen der Kapazität des Kraftwerks. [ 24 ]

Die Energie kann durch die Optimierung eines oder mehrerer Aspekte der Überlaufkonstruktion abgeführt werden. [ 25 ]

Schritte
Zunächst auf der Überlauffläche selbst durch eine Reihe von Stufen entlang des Überlaufs (siehe Stufenüberlauf ). [ 5 ]
Kippeimer
Zweitens kann am Fuß eines Überlaufs ein Kippeimer einen hydraulischen Sprung erzeugen und das Wasser nach oben ablenken.
Skisprungschanze
Eine Skisprungschanze kann das Wasser horizontal in ein Becken leiten, oder zwei Skisprungschanzen können ihre Wasserstrahlen so lenken, dass sie miteinander kollidieren. [ 5 ] [ 24 ]
Stillbecken
Drittens dient ein Tosbecken am Ende eines Überlaufs der weiteren Energiedissipation und der Verhinderung von Erosion. Es ist üblicherweise mit relativ wenig Wasser gefüllt und manchmal mit Beton ausgekleidet. Verschiedene geschwindigkeitsreduzierende Elemente können in seine Konstruktion integriert werden, darunter Rutschblöcke, Prallblöcke, Flügelmauern, Oberflächenrinnen oder Endschwellen. [ 26 ]

Sicherheit

Überlauftore können ferngesteuert und ohne Vorwarnung geöffnet werden. Unbefugte Personen im Überlaufbereich sind in höchster Ertrinkungsgefahr. Überläufe sind üblicherweise eingezäunt und mit verschlossenen Toren ausgestattet, um unbefugtes Betreten zu verhindern. Warnschilder, Sirenen und andere Maßnahmen warnen die Anwohner flussabwärts vor einem plötzlichen Wasseraustritt. Die Betriebsabläufe können das Öffnen eines Tores vorsehen, um eine geringe Wassermenge abzulassen und so die flussabwärts lebenden Personen zu warnen.

Das plötzliche Schließen eines Überlauftores kann zum Stranden von Fischen führen, was in der Regel vermieden wird.

Siehe auch

Referenzen

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