Aktuelle Forschungsvorhaben des FG Wasserbau

Aktuelle Forschungsvorhaben des Fachgebiets Wasserbau

Derzeit werden im Fachgebiet Wasserbau die folgenden Projekte bearbeitet:

Sicherer Deich

Prof. Dr.-Ing. habil. U. Zanke, Dipl.-Ing. Tobias Kubetzek

Überströmung des Versuchsdeiches
Überströmung des Versuchsdeiches

Das Projekt zielt darauf ab, Untersuchungen an einem Forschungsdeich im Naturmaßstab 1:1 zur Verbesserung des Widerstandsverhaltens bzw. der Standsicherheit von Flussdeichen bei langeinstauenden Hochwasserereignissen und Deichüberströmung durchzuführen, mit dem Ziel, innovative Deichbau- bzw. Deichsanierungskonzepte als Beitrag zum technischen Hochwasserschutz zu erarbeiten und somit künftige Deichbau- und Deichsanierungsmaßnahmen wirtschaftlicher zu gestalten, sowie das Schadensrisiko zu reduzieren.

Das Forschungsvorhaben soll im Bereich des Deichbaus und der Deichsanierung neue Erkenntnisse über die Eignung von neuartigen Baumaterialien, wie Recyclingmaterial, Geokunststoffe u.a., im Hinblick auf langanhaltende Hochwasser und Deichüberströmung liefern. Ferner sollen Alternativen zu den herkömmlichen Deichsanierungsmaßnahmen erarbeitet werden, die den Aufwand und die Kosten reduzieren, trotzdem aber mindestens genauso effektiv sind (z.B. Auffräsen des Deichkörpers und Verfüllung mit selbstverdichtendem Mörtel, sowie Deckwerke). Derartige Sanierungsverfahren können auch bei oftmals heterogenen Altdeichen angewandt werden. Die Ergebnisse der Untersuchungen stellen somit einen unmittelbaren Beitrag zur Innovation im Bereich des technischen Hochwasserschutzes dar.

Das Forschungsvorhaben wird im Rahmen der BMBF-Förderaktivität „Risikomanagement extremer Hochwasserereignisse (RIMAX)“ durchgeführt.

Hydro- und morphodynamische Simulation der Schifffahrtsrinne von Paranagua

Prof. Dr.-Ing. habil. U. Zanke, Dipl.-Ing. G. Dahlem

Es handelt sich hierbei um ein Teilprojekt eines deutsch-brasilianischen Kooperationsprojektes (gefördert durch das BMBF), welches sich mit der hydro- und morphodynamischen Simulation zur Entwicklung der Schifffahrtsrinne zum Hafen von Paranagua befasst.

Die Untersuchungen im Rahmen des o.g. Teilprojektes sind Bestandteil des geplanten Verbundvorhabens „Nachhaltiges Umweltmanagement in brasilianischen Häfen“. In diesem Teilprojekt sollen Strategien für eine nachhaltige Bewirtschaftung der Umwelt hinsichtlich der Morphodynamik, der Sedimentation und Verlandung sowie hinsichtlich der Baggerung und der Verklappung und Verdriftung von Baggermaterial aufgezeigt werden. Dies wird durch die Analyse der existierenden bathymetrischen und hydrographischen Informationen durch die Anwendung eines numerischen Modells zur Simulation der Hydrodynamik, Sedimentdynamik und Morphodynamik erreicht. Im Rahmen des beantragten Teilprojektes werden hochauflösende numerische Modelle zur Simulation der Hydrodynamik, Sedimentdynamik und Morphodynamik eingesetzt, auf deren Grundlage Optimierungsstrategien für ein zukünftiges Baggerei- und Baggergutmanagement abgeleitet werden.

Die Hauptgründe für Verlandung, Alternativen zu ihrer Reduzierung und eine Verbesserung des Managements des Baggergutes sollen untersucht werden. Das Management von Baggergut wird durch die Emissionsschutzbestimmungen geregelt.

Wertvolle Informationen über die Auswirkungen der Baggerungen und anderer andauernder Maßnahmen auf die Verlandung des Systems sollen gegeben werden. Dies beinhaltet auch die Auswirkungen der Baggerungen zur Vertiefung der Schifffahrtswege aufgrund des steigenden Tiefganges der Schiffe. Vorteilhafte Orte für die Verbringung des Baggermateriales sollen identifiziert werden. Die Auswahl von geeigneten Orten, deren Ausdehnung und Kapazität sind von wesentlicher Bedeutung. Gleiches gilt für die potentiellen Folgen dieser Aktivitäten. Die Einschätzung von potentiellen Effekte wird verbesserte Aussagen zu den zu erwartenden Auswirkungen der Verbringung liefern. Es wird eine Basis für die Entscheidungsfindung bezüglich der Verbringung gegeben und Hinweise für die ggf. notwendigen Beweissicherungsmaßnahmen bzw. Messungen zum Monitoring gegeben.

Die TU-Darmstadt wird sich auf die Untersuchungen der Ästuar-Mündungen konzentrieren. Sie wird ein gekoppeltes Modellsystem aufsetzen, kalibrieren und validieren, das Module für Strömung, Seegang, Sedimenttransport und Sohlentwicklung umfasst. Das Modellsystem umfasst Geschiebe- und Suspensionstransport in mehreren Fraktionen. Der Boden des Untersuchungsgebietes ist dreidimensional in Schichten und Fraktionen repräsentiert. Das validierte Modell der Paranagua Bucht wird für die brasilianische Seite als operationelles Modell zugänglich gemacht.

Kolke an Brückenpfeilern

Prof. Dr.-Ing. habil. U. Zanke, MSc. Reda Diab

Dieses Projekt befasst sich mit der Wechselwirkung zwischen der Strömung und dem Sedimentbett um einen Brückenpfeiler. Grundsätzliche Aspekte der Strömung und der Kolkung werden in einer 2 m breiten, 26 m langen und 1 m tiefen Rinne im Labor des Instituts für Wasserbau der TU Darmstadt untersucht. Durch Strömungsvisualisierung werden (kohärente) turbulente Strömungstrukturen untersucht. Dazu werden Bild- und Videoaufnahmen einer in der Strömung zugegebenen Kalium-Permanganat-Lösung bearbeitet. Das Strömungfeld und ihre turbulente Eigenschaften, u.a. die TKE, Reynoldsche Spannungen und Intermittenz werden mit hoch aufgelöste ADV-Messungen bestimmt. Die Mechanismen des Sedimenttransportes im Kolkbereich wie z.B. die Hangrutschung werden mit Bild- und Videoaufnahmen untersucht. Die Kolkung wird fortlaufend mit einem Laser Distanz Sensor erfasst. Es werden sowohl Klarwasserkolke wie auch Kolke mit allgemeinem Sedimenttransport untersucht. So sind neue Erkenntnisse über die ma�gebende Vorgänge zu erlangen und dadurch die bekannten Ansätze zur Beschreibung der Kolkung und Kolkvorhersage zu verbessern. Gleichzeitig werden Vergleichdatensätze erzeugt, bei denen alle Versuchsparameter bekannt sind und die somit eine Validation numerischer Modelle ermöglichen.

Die numerische Modellierung der Kolkung wird mit dem morphodynamisch-numerischen Modell SMOR3D (Mewis, 2002) durchgeführt. Das Modell basiert auf der Finite Elemente Methode. Kennzeichnende Eigenschaften des 3D-Strömungsmodells sind die Betrachtung der freien Oberfläche und die Turbulenzmodellierung durch einen modifizierten Mischungsweg-Ansatz. Das Sedimenttransportsmodul berücksichtigt in fraktionierter Form Geschiebe und Suspension, den Hangabwärtstrieb und Hangrutschungen.

HYLOW – Hydropower converters for very low head differences

Energiewandler für die Nutzung sehr geringen Fallhöhen

Prof. Dr.-Ing. habil. U. Zanke, Dr.-Ing. Nicole Saenger, Dipl.-Ing. Silke Schneider

Modell eines Wasserrades
Modell eines Wasserrades

Im EU-Forschungsprojekt HYLOW wird ein neuartiger Energiewandler für die Kleinwasserkraft mit Leistungen unter 1 MW und sehr geringen Fallhöhen entwickelt und optimiert. Es werden dabei drei verschieden Anwendungsfelder betrachtet: Die Installation in Flüssen, besonders im Bereich bestehender Wehrstandorte, der Einsatz als schwimmender Energiewandler in Fluss- und Gezeitenströmen und die Nutzung von sehr kleinen Potentialunterschieden in Wasserversorgungs- und Verteilungsnetzen.

In dem Verbundprojekt HYLOW sind 13 Universitäten, Forschungseinrichtungen und Ingenieurbüros aus fünf europäischen Ländern vertreten. Das Projekt wird durch die Europäische Kommission im 7. Rahmenprogramm unterstützt. Weitere Information zu dem Forschungsprojekt HYLOW finden Sie auf der Projektseite unter www.hylow.eu .

Am Fachgebiet Wasserbau liegt dabei der Schwerpunkt auf der Entwicklung und Optimierung der sogenannten Wasserdruckmaschine für die Anwendung in kleinen bis mittelgroßen Flüssen. Das Wirkungsprinzip dieser Maschine beruht auf der Ausnutzung der hydrostatischen Druckdifferenz, welche auf die einzelnen Schaufeln wirkt. Die Vorteile liegen in der Einfachheit der Konstruktion, der Durchgängigkeit der Sohle und den niedrigen Drehgeschwindigkeiten. Erste Versuche weisen trotz der geringen Fallhöhen hohe Wirkungsgrade auf.

In Versuchsrinnen werden verschiedene Wasserdruckmaschinen, welche sich durch ihre Geometrie, ihre Größe und die verwendeten Ein- und Auslaufeinbauten unterscheiden, untersucht. Neben der hydraulischen Optimierung wird die Maschine auch hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit und ökologischen Verträglichkeit optimiert. Die Gesamtkonstruktion wird möglichst einfach gestaltet, damit der neuartige Energiewandler kostengünstig hergestellt werden kann und somit auch für einen Einsatz in Entwicklungsländern in Frage kommt. Für die ökologische Optimierung wird die Sedimentdurchgängigkeit untersucht sowie das Verhalten von Fischen durch Fischbiologen beobachtet.