Flüsse transportieren Äste, Baumstämme und vom Menschen verursachte Trümmer - vor allem bei Hochwasser. Wenn sich dieses Material an Brücken, Durchlässen oder Einläufen staut, behindert es den Durchfluss, erhöht den Wasserstand flussaufwärts und beschleunigt Auskolkung und Strukturschäden. Trümmerbarrieren fangen große schwimmende Objekte ab, lassen aber Wasser und die meisten Sedimente passieren. Indem sie kontrollieren, wo sich die Trümmer ansammeln, schützen sie wichtige Infrastrukturen, verringern das Hochwasserrisiko und den Wartungsaufwand und schaffen sichere Zugänge für die Beseitigung. Da die Leistung von den Abständen, der Ausrichtung und den hydraulischen Bedingungen abhängt, könnte die Simulation den Entwurfsprozess dieser Bauwerke verbessern: Sie ermöglicht es den Ingenieuren, die Kräfte, den Anstieg des Rückstaus, die Ablagerungen und die Versagensmodi in verschiedenen Hochwasserszenarien zu quantifizieren und die Barriere so zu optimieren, dass sie das auffängt, was wir wollen, und durchlässt, was wir müssen.
Fallbeschreibung
Das simulierte Szenario basiert in etwa auf einer Trümmerbarriere, wie sie auf dem Foto unten zu sehen ist, das einer unserer Ingenieure in der Nähe von Oberstdorf, Deutschland, aufgenommen hat. Das Modell stellt einen 30 m langen Flusskanal mit trapezförmigem Querschnitt dar: 11 m Breite an der Sohle und 15 m Breite an der Spitze. Die Schuttsperre besteht aus vertikalen Pfählen, die jeweils 4 m hoch sind und einen Querschnitt von 0,8 m haben. Die Abstände zwischen den einzelnen Pfählen variieren zwischen 1,7 m und 2,0 m, so dass Wasser und Sediment passieren können, während größeres Geröll abgefangen wird.
Für die Simulation wurde der Kanal mit einem Durchfluss von ca. 49 m³/s belastet, was einer Wassertiefe von ca. 2 m und einer mittleren Fließgeschwindigkeit von ca. 2 m/s entspricht. Es wurden Stämme mit einer Länge von 2.1 m, 3 m und 6 m und einer Dichte von jeweils 700 kg/m³ verwendet. Diese Konfiguration wurde verwendet, um die hydraulische Leistung, die Effizienz der Schuttabscheidung und mögliche Rückstaueffekte unter realistischen Strömungs- und Schuttbelastungsbedingungen zu bewerten.
Ergebnisse
Die Ergebnisse werden in einer Reihe von Videos präsentiert, die jeweils verschiedene Perspektiven der Simulation beleuchten. Die Sequenz beginnt mit der Draufsicht in der technischen Visualisierung, in der die Bewegung der Stämme entlang des Kanals besonders gut zu beobachten ist. Danach folgt das gerenderte Gegenstück, das einen direkten Vergleich zwischen der rohen Simulationsausgabe und einer realistischeren Darstellung der Strömung und des Gerölls bietet.
Als nächstes wird die Seitenansicht sowohl im technischen als auch im gerenderten Modus gezeigt, um einen Einblick in die Strömungstiefe, die vertikale Bewegung der Stämme und die Interaktion mit den Barrieren aus einer Querschnittsperspektive zu geben.
Wie bereits erwähnt und gezeigt, wurden bei der Simulation neun Stämme verwendet: drei mit einer Länge von 6 m, drei mit einer Länge von 3 m und drei mit einer Länge von 2 m, wobei die größten Stämme stromabwärts von den kürzeren platziert wurden. Die Trümmer bewegten sich senkrecht zu den Barrieren, und diese Anordnung - eine Kombination aus senkrechter Annäherung und einer Größenordnung von groß nach klein - sollte die Wahrscheinlichkeit maximieren, dass die Barrieren alle Stämme erfassen.
Beim ersten Aufprall wurden alle drei 6-Meter-Stämme erfasst und hielten zunächst die kleineren Stämme zurück. Die Seitenansicht zeigt, wie der diagonale Abschnitt der Barrieren alle Stämme an die Wasseroberfläche drückt. Nach dem ersten Aufprall wurden die kleineren Stämme jedoch allmählich von der Strömung nach unten gedrückt. Einer nach dem anderen tauchte unter die größeren Baumstämme und schlüpfte unter der Barriere hindurch. Dieses Ergebnis zeigt, dass selbst bei einer Konfiguration, die auf eine optimale Rückhaltung der Trümmer ausgelegt ist, kleinere Stämme entweichen und flussabwärts weiterwandern können.
Das folgende Diagramm zeigt den zeitlichen Verlauf des Oberflächenwasserspiegels, der entlang einer 6 m flussaufwärts von den Barrieren gelegenen Messlinie aufgezeichnet wurde. Die scharfen Spitzen am Anfang (die erste mit einer vertikalen blauen Linie markiert) entsprechen den Momenten, in denen einzelne Stämme die Probenlinie passieren. Nach dem Aufprall der Baumstämme auf die Barrieren kommt es zu einem deutlichen Anstieg des Wasserspiegels, was darauf hindeutet, dass selbst 6 m flussaufwärts innerhalb kurzer Zeit ein Rückstaueffekt entsteht. Der maximale Wasserstand wird bei etwa 8 Sekunden erreicht (mit einer roten Linie markiert), was mit dem Moment zusammenfällt, in dem mehr Stämme zu entweichen beginnen, wodurch die vorübergehende Stauwirkung verringert wird.
Das abschließende Video bietet einen Überblick über die gesamte Simulation und kombiniert isometrische und Draufsicht-Perspektiven in einer nahtlos geschnittenen Sequenz. Sie bietet eine dynamische und dennoch informative Darstellung der Strömung, der Schuttbewegung und der Interaktion mit den Barrieren und vermittelt sowohl einen klaren technischen Eindruck als auch eine ansprechende visuelle Zusammenfassung der Ergebnisse:
