Anpassung des Tosbeckens und des Kolkschutzes

Windachspeicher

Anpassung des Tosbeckens und des Kolkschutzes

Projektgegenstand und Projektziel

Der Windachspeicher umfasst verschiedene Anlagenteile zur Bewirtschaftung: Über zwei Tiefauslässe im Damm wird gesteuert Wasser in die Windach abgegeben. Die Hochwasserentlastungsanlage (HWE) hingegen springt ungesteuert bei extrem seltenen Hochwasserereignissen an, sie ist der „Notüberlauf“ des Speichers und damit essentiell für die Sicherheit des Bauwerkes und der Unterlieger. Durch die Entlastung wird selbst bei extremstem Hochwasserzufluss ein Überströmen des Dammes verhindert.

Die physikalischen Vorgänge in einer solchen Anlage sind nur schwer durch Berechnungen erfassbar und werden meistens durch wasserbauliche Modellversuche geprüft. Deshalb wurde im Vorfeld von Umbau und Modernisierung der Hochwasserentlastungsanlage ein Modell in der Versuchsanstalt Obernach der Technischen Universität München erstellt. Bestandteil dieser im Jahr 2022 durchgeführten Untersuchung wurde die Energieumwandlung in beiden Tosbecken und im gemeinsamen Unterwasserbecken, sowie die Kolkschutzstabilität bei verschiedenen Beaufschlagungen der drei vorhandenen Auslässe.

Modellbau in Fließrichtung

Modellüberblick vom Unterwasser entgegen der Fließrichtung

Verbesserte Energieumwandlung im Tosbecken

Ein Tosbecken dient dazu, die hohe kinetische Energie des auslaufenden Wassers, insbesondere bei Hochwassern, in Wärme- und Schallenergie umzuwandeln und so eine Eintiefung des Flusslaufs zu vermeiden. Grundsätzlich gilt, dass die Energieumwandlung im Unterwasser einer wasserbaulichen Anlage umso kritischer ist, je größer die spezifische Abflussbeaufschlagung der einzelnen Betriebsauslässe ist und je niedriger der Unterwasserstand. Der Modellversuch hat gezeigt, dass der maßgebliche kritische Lastfall bei einer vollen Beaufschlagung der HWE ohne die Nutzung des Betriebs- oder Grundauslasses liegt.

Die Nutzung eines umfangreichen Modells dieser Größe erlaubte es verschiedene Störkörper schnell und effizient einzubauen, um deren Einfluss auf die Effizienz im Tosbecken realitätsnah zu testen. Um die Energieumwandlung bestmöglich zu verbessern, ergab sich schließlich die eher unkonventionelle Lösung einen „Leitkeil“ an der rechten Seitenwand des Tosbeckens anzubringen. Dieses Hindernis direkt nach dem Auslauf der Hochwasserentlastunganlage, verbessert deutlich die räumliche Wirkung des Tosbeckens, indem es einen Großteil des Abflussstrahls sowohl gegen die linke Seitenwand als auch unter der ersten Schwelle hindurch lenkt. Die dadurch herbeigeführte bessere Energieumwandlung führt dazu, dass der Abfluss im Unterwasserbecken dementsprechend ruhiger und turbulenzärmer verläuft. Der Leitkeil selbst muss aufgrund der hohen dynamischen Kräfte, sicher im Tosbecken verankert werden.

Im Modell angebrachter Leitkeil (grau)

Einbetonierter Leitkeil am Tosbecken

Kritischer Lastfall ohne Leitkeil

Kritischer Lastfall mit Leitkeil

Bewehrungsstahl vor der Betonage des Leitkeils

Sanierung des Kolkschutzes

Trotz der schon immer sehr guten Energieumwandlung im betonierten Tosbecken, ist im direkten Unterlauf eine Verlängerung des Kolkschutzes erforderlich. Die in den 60er Jahren eingebaute Versteinung war durch Hochwasserereignisse z.T. abgetragen worden. Die winterlichen Frostphasen hatten dazu geführt, dass die Steine z.T. zerfallen waren.

Fehlende Kolk-Versteinung im Bereich der Kurve und der Sohle

Offene Böschung nach Entfernung der alten Steinsicherung

Ableitung des Abflusses durch die Baustelle

Neu angelegte Versteinung der Böschung

Durch die verbesserte Effizienz des Tosbeckens (Leitkeil) kann der erforderliche Kolkschutz im Unterwasser geringer dimensioniert und somit kostengünstiger ausgelegt werden. Zur Überprüfung der Kolkschutzstabilität wurde im Modell die feste Sohle unmittelbar unterhalb des Tosbeckens entfernt und durch maßstäbliches Blocksteinmaterial ersetzt (Modell 3-4cm, Realität 45-60cm). Da dort die größte Belastung auf den Kolkschutz wirkt, war es ausreichend das Modell auf diesen Abschnitt zu begrenzen. Der Modellversuch zeigte, dass der zweilagige Kolkschutz im kritischen Lastfall bei einem Abfluss von 74 m³//s durchgehend stabil ist.

Im Unterschied zum Modell wurde am Windachspeicher der Kolkschutz unterhalb des Tosbeckens über den gesamten Flussquerschnitt ausgeführt, wobei der Sohlschutz eine etwa doppelt so große Fläche einnimmt wie der Böschungsschutz. Insgesamt wurde dabei eine Fläche von ca. 850 m² durch die Versteinung gesichert, wofür ca. 1400 Tonnen an größeren Wasserbausteinen verwendet worden sind zusammen mit ca. 150 Tonnen Kies. Damit ist nun auch für extreme Hochwasser die Dauerhaftigkeit des Abflussgerinnes gewährleistet. Um die Versteinung zu ermöglichen, wurde der Abfluss in die Windach für die Dauer der Baustelle mit Rohren umgeleitet.

Der Modellversuch wurde im Sommer 2022 abgeschlossen; der Einbau des Leitkeils und die Versteinerung des Kolkschutzes erfolgten im Frühjahr 2023.
Noch vor Beginn der sommerlichen Hochwassersaison konnten die Arbeiten am Windachspeicher abgeschlossen werden.