Jennifer Merkel
Gestaltungskriterien und hydraulische Bemessungsgrundlagen für Streichwehre
An den Bundeswasserstraßen gibt es derzeit mehr als 300 Wehranlagen, die von der Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung (WSV) des Bundes betrieben und unterhalten werden. 140 dieser Wehranlagen befinden sich an eher weniger befahrenen Wasserstraßen außerhalb des Kernnetzes. Aufgrund des nicht ausreichenden Zustandes vieler dieser Bauwerke, ist in den nächsten 10 Jahren mit einem Ersatzneubau oder einer Grundinstandsetzung zu rechnen. Möglichst investitions- und unterhaltungsarme Anlagen sollen dabei in Betracht gezogen werden. Dies führt zu der Überlegung, bestehende bewegliche Wehre an Wasserstraßen außerhalb des Kernnetzes künftig möglichst durch feste Wehre zu ersetzen. Jedoch sind derartige Wehrtypen bisher selten an Bundeswasserstraßen eingesetzt worden, so dass Kenntnisse über die Grundlagen und Rahmenbedingungen für den breiteren Einsatz fehlen.
Streichwehre, die sich in die Kategorie „feste Wehre“ einordnen lassen, haben sich bereits in der Vergangenheit durch ihre einfache Konstruktion und Unterhaltung bewehrt. Der Vorteil von Streichwehren zeigt sich in der Überfalllänge, die, im Vergleich zu einem senkrecht angeströmten festen Wehr, infolge einer schräg zur Hauptströmungsrichtung angeordneten Überfallkante deutlich erhöht werden kann. An den staugeregelten Flüssen in Deutschland gibt es zahlreiche Streichwehre, die sich in Lage, Querschnitt und Aufbau unterscheiden. Eines der wohl bekanntesten Streichwehr ist das Streichwehr in Würzburg am Main mit einer Länge von 210 m (Bild 1, links). Der Wehrrücken besteht in wesentlichen Teilen aus einer Mauer aus Stahlbeton und Steinen sowie einer Steinschüttung aus Wasserbausteinen im Unterwasser, die als Kolkschutz dient. Das Streichwehr in Weilburg (Bild 1, Mitte) besteht im Bereich der Wehrkrone aus geklammerten Kronensteinen und einem Wehrrücken aus Bruchsteinen, während das Streichwehr in Gochsen (Bild 1, rechts) einen Wehrrücken aus Stahlbeton besitzt. Bereits an diesen drei Beispielen zeigt sich die Vielfalt an konstruktiver Gestaltung.
Bild 1: Streichwehre in Würzburg am Main (links), Weilburg an der Lahn (Mitte) und Gochsen am Kocher (rechts)
Um Empfehlungen zur Umsetzung von Streichwehren geben zu können, untersuchte die BAW anhand einer Analyse von etwa 50 bestehenden Streichwehren die Anordnung sowie Querschnittsgestaltung. Mit Bestandsplänen konnten mehrere Querschnittsformen ermittelt werden, wobei die am häufigsten auftretende Querschnittsform der dachförmige Querschnitt mit einer mittleren Böschungsneigung im Oberwasser von etwa 1:2,5 und im Unterwasser von etwa 1:4,0 darstellt.
Bild 2: Streichwehr in Böllberg an der Saale
Die Lage eines Streichwehres im Gewässer wird maßgeblich durch die örtlichen Gegebenheiten einer Staustufe bestimmt. Streichwehre kommen hauptsächlich als Entlastungsbauwerk in den Altarm in Betracht als sogenannte gerade Streichwehre (Bild 2). Die Anströmung erfolgt hier parallel zur Überfallkrone, während der Anströmwinkel bei schiefen Streichwehren zwischen 0° und 90° liegt, typischerweise bei etwa 30°. Befindet sich am betrachteten Standort ein Wasserkraftwerk, sollte sich die Linienführung am Kraftwerk orientieren. Durch das Streichwehr wird der Fließquerschnitt stetig verjüngt, sodass die Strömung kontinuierlich beschleunigt und eine gute Anströmung am Turbineneinlauf erzielt wird.
Neben Lage und Aufbau spielt vorallem die hydraulische Leistungsfähigkeit dieser Wehrtypen eine entscheidende Rolle beim Ersatzneubau. In der Literatur finden sich hierzu mehrere Berechnungsansätze, die erweiterte Überfallformel nach Poleni hat sich jedoch als die praktikabelste herausgestellt. Neben numerischen Berechnungen zur Querschnittsform wurden im Labor der BAW gegenständliche Modelluntersuchungen an unterschiedlichen Streichwehrgeometrien und Anströmwinkeln durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass der Anströmwinkel nur einen untergeordneten Einfluss auf die Leistungsfähigkeit ausübt und bei der hydraulischen Bemessung die volle Überfalllänge des Streichwehres angesetzt werden kann. Der hydraulische Vorteil eines Streichwehres mit dachförmigem Querschnitt zeigt sich vorallem bei rückgestautem Abfluss. Wie auch beim breitkronigen Wehr reagiert das Streichwehr weniger stark auf den steigenden Unterwasserstand als beispielsweise scharfkantige Wehre.
Ein Bericht zu Streichwehren wurde bereits in BAWiki veröffentlicht (http://wiki.baw.de/de/index.php/Wehranlagen), der die hydraulischen Grundlagen zusammenfasst und Hinweise zum Querschnitt und zur Anordnung im Gewässer liefert. Dem planenden Ingenieur werden Formeln und Beiwerte zur Berechnung des vollkommenen und rückgestauten Überfalls zur Verfügung gestellt sowie Hinweise zur Herstellung, Unterhaltung und ökologischen Durchgängigkeit gegeben.
Im Vergleich zu anderen Wehrtypen ist der Querschnitt eines Streichwehres einfach und kostengünstig herzustellen. Aufgrund des großen Platzbedarfes und den örtlichen Randbedingungen können unter Umständen diese Wehrtypen nicht an jedem Standort realisiert werden. Somit stellt sich die Frage nach weiteren leistungsfähigen festen Wehrtypen, die in solchen Fällen in Betracht gezogen werden könnten. Hier stellen gefaltete Wehre, wie beispielsweise Labyrinth- oder Piano-Key-Wehre, eine ansprechende Option dar.
Verfasst von Jennifer Merkel
Ich bin wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Abteilung Wasserbau im Binnenbereich. Mit Hilfe von gegenständlichen Modellen untersuche ich die Hydraulik fester Wehre und erarbeite Empfehlungen für die Planung dieser Wehrtypen.