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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur Erzeugung von stehenden Wellen in Fließgewässern.
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In Fließgewässern ergeben sich vereinzelt stehende
Wellen als unbeabsichtigtes Resultat wasserbaulicher Anlagen oder
natürlicher
Besonderheiten. Diese singulären
Stellen unterliegen einer starken Nutzung u.a. durch Wellenreiter
und Kanusportler. Die Existenz einer geeigneten Welle ist hierbei
in hohem Maße
vom Abfluss d.h. von der Wasserführung
des Gewässers
abhängig.
Für die
beschriebene Nutzergruppe attraktive Wellen ergeben sich an diesen
singulären
Stellen insbesondere im Hochwasserfall, wodurch Sicherheits- und
Haftungsprobleme verursacht werden. In Fließgewässern sind auch an diesen singulären Stellen
keine brechenden Wellen bekannt, welche – als Sonderform stehender
Wellen – aufgrund
ihrer besonderen Geometrie und der hohen Dynamik eine besondere
Attraktivität
für Wellenreiter besitzen.
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Es sind Bestrebungen bekannt, stehende Wellen
bei üblicher
Wasserführung
in Fließgewässern zu
erzeugen. Die grundsätzliche
Anordnung eines wellenerzeugenden unveränderlichen Einbaus (Wellenerzeugers)
in fließenden
Gewässern
und Staustufen ist Gegenstand der deutschen Gebrauchsmusterschrift
DE 200 19 358 U1 sowie
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 101 02 805 A . Hierbei wird im Unterwasser
eines Querbauwerkes (bezeichnet als Staustufe) ein in seiner Achse
quer zur Fließrichtung
verlaufender Massivkörper
installiert, welcher durch seine komplexe Geometrie die auftreffende
Strömung
in eine brechende Wellenform zwingen soll. Unveränderliche Einbauten dieser Form
können
zwangsläufig
nur über
ein begrenztes Abflussspektrum, d.h. bei einer natürlichen
Wasserführung
an vergleichsweise wenigen Tagen im Jahr, geeignete Wellen erzeugen.
Zudem können
sich insbesondere im Hochwasserfall unerwünschte Strömungsformen- und Ablösungen ergeben.
Hieraus können erhebliche
Sicherheits- und Haftungsfragen resultieren. Zudem ist ein negativer
Einfluss auf die Flusssohle im Unterwasser durch lokal verstärkte Erosion
infolge erhöhter
Sohlschubspannungen zu beachten.
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Prinzipiell ähnliche Einbauten in Laborsystemen
bzw. Versuchsrinnen sind u.a. Gegenstand internationaler Veröffentlichungen
(„A stationary
oblique breaking wave for laboratory testing of surfboards" von H.G. Hornung
und P. Killen, Journal of Fluid Mechanics, 1976; „Hydrodynamics
of Surfboards",
von Michael Paine, 1974, aktuell auf: http://www4.tpgi.com.au/users/mpaine/thesis.html).
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Weitere Schutzrechte [
EP 0 547 117 B2 (
DE 691 14 013 T3 ),
EP 0 629 139 B1 (
DE 693 10 719 T2 )]
umfassen Einrichtungen zur Erzeugung wellenähnlicher Wasserflächen geringer
Fließtiefe
und hoher Geschwindigkeit in künstlichen
Freizeiteinrichtungen. Hierbei wird ein Planstrom erzeugt, welcher sich
unmittelbar an einen wellenartig geformten Körper anlegt. Die für Fließgewässer konzipierten
Anlagen nach der
DE
200 19 358 U1 sowie der
DE 101 02 805 A sind nicht in der Lage, Wellen
für Freizeitaktivitäten in ähnlicher
Qualität
wie derartige Einrichtungen mit künstlich erzeugter Strömung bereitzustellen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
in einem Fließgewässer für Freizeit- und Sportaktivitäten besonders
geeignete Wellen, insbesondere auch brechende Wellen, zu erzeugen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren
mit den Merkmalen des Anspruchs 27. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen sind Gegenstand der auf diese Ansprüche zurückbezogenen
Unteransprüche.
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Die Erfindung geht von der Überlegung
aus, dass in Fließgewässern stehende
und brechende Wellen insbesondere unterhalb von Querbauwerken (Wehre,
Abstürze,
Rampen, Schwellen) nach dem Übergang
von einer strömenden
(Froude-Zahl < 1) zu
einer schießenden
(Froude-Zahl > 1)
Fließbewegung
erzeugt werden können.
Der vergleichsweise hohe Energieinhalt dieser schießenden Fließbewegung,
welcher durch die Lage der Energielinie im Oberwasser des Querbauwerkes
sowie den spezifischen Abfluss (d.h. den Abfluss pro Breitenmeter) bestimmt
wird, wird in der Regel unterhalb eines Querbauwerks in einer turbulenten
Fließbewegung durch
Stoss- und Mischverluste abgebaut.
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Üblicherweise
wird an wasserbaulichen Anlagen zum Schutz der anschließenden Fließgewässerstrecke
versucht, einen möglichst
konzentrierten Energieabbau direkt unterhalb eines Querbauwerkes in
einem ortsfesten Wechselsprung unter Ausbildung einer Deckwalze
zu erreichen. Bei im wasserbaulichen Sinn ungünstigen Randbedingungen – insbesondere
bei Froude-Zahlen im Bereich von 1,5 bis 4 – kann sich anstelle eines
ortfesten Wechselsprunges eine stehende Welle ausbilden, in welcher
ein vergleichsweise geringer Energieabbau erfolgt. Die Erfindung
beinhaltet das bewusste Herstellen dieser Randbedingungen über ein
möglichst
breites Abflussspektrum.
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Der theoretischen Untersuchung der
hierbei zu berücksichtigenden
Parameter sind aufgrund der Komplexität der Strömungsvorgänge in einem Fließgewässer Grenzen
gesetzt. Die Formgebung einer geeigneten Vorrichtung zur Wellenerzeugung
kann im Detail im hydraulischen Modellversuch unter Beachtung der
lokalen Besonderheiten (Höhe
des Querbauwerkes, Abfluss, Unterwasser-Fließtiefe, Breite des Fliessgewässers u.a.)
optimiert werden.
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Nach bevorzugten Ausgestaltungen
weist die Anlage bzw. das Verfahren zur Wellenerzeugung folgende
Merkmale auf, mit welchen eine bedarfsorientierte Erzeugung stehender
Wellen in Fließgewässern über ein
breites Abflussspektrum ermöglicht
ist:
Eine im Anschluss an ein senkrecht zur Achse des Fließgewässers verlaufendes
Querbauwerk angeordnete Leitrampe ist im Raum verzogen.
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Die Schnittlinie der Leitrampe mit
der anschließenden
Sohle verläuft
im Grundriss in etwa in einem Winkel von 30° bis 50° zur Achse des Fließgewässers, geneigt
in Richtung Unterwasser.
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Die Neigung der Leitrampe parallel
zur Gewässerachse
beträgt
an ihrem steileren Ende etwa h:b = 1:1 bis 1:3. Die weiteren Neigungen
ergeben sich in Abhängigkeit
des Verlaufes der Schnittlinie und der Rampenhöhe. Die Oberfläche der
Rampe ist eben, ohne Unregelmäßigkeiten
geformt.
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Die Höhe und die Rauhigkeit der Rampe werden
so gewählt,
dass nachfolgend im Zusammenhang mit dem Verfahren noch näher erläuterten hydraulischen
Vorgaben, insbesondere der minimale Abfluss von 3 m3(s·m), eingehalten
werden.
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Die oberwasserseitige Begrenzung
der Leitrampe entspricht der Krone des Querbauwerkes und verläuft im Regelfall
horizontal und senkrecht zur Gewässerachse.
Zur Sicherstellung der zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen
hydraulischen Vorgaben, insbesondere der Einhaltung eine Froude-Zahl
im Bereich zwischen 1,5 und 4,0 am Ende der Leitrampe, kann es erforderlich
sein, die Krone auch schräg
abfallend oder mit einem Durchhang auszuführen. In Einzelfällen kann
auch eine im Grundriss schräge
Lage zur Gewässerachse
zweckmäßig sein.
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Zwischen der Leitrampe und dem flexiblen Einbaukörper ist
bevorzugt ein wannenförmigen
Bereich angeordnet, mit einer im Grundriss schräg zur Gewässerachse verlaufenden Lage,
welche durch die Grundrissgeometrie der Leitrampe und des flexiblen
Einbaukörpers
bestimmt wird, wodurch sich in der Regel eine Breitenzunahme entlang
seiner Achse ergibt.
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Der wannenförmige Bereich ist strömungsgünstig gestaltet
und weist eine glatte, im Regelfall betonrauhe Oberfläche sowie
bevorzugt einen horizontalen oder leicht ansteigenden Verlauf entlang seiner
Achse in Strömungsrichtung
auf.
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Ein flexibler Einbaukörper, auch
als Wellenerzeugungskörper
bezeichnet, ist im Anschluss an den Fußpunkt der Leitrampe unter
Einhaltung eines horizontalen Abstandes von wenigen Metern angeordnet.
Die Schnittlinie des flexiblen Einbaukörpers mit dem wannenartigen
Bereich verläuft
im Grundriss in etwa in einem Winkel von 30° bis 75°, bevorzugt 35° bis 55°, zur Achse
des Fließgewässers, geneigt in
Richtung Unterwasser. Die Leitrampe kann auch einen kontinuierlich
stromabwärts
auslaufenden Bereich aufweisen und unmittelbar in den Einbaukörper übergehen.
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Die Länge des flexiblen Einbaukörpers beträgt bezogen
auf den Querschnitt senkrecht zur Achse des Fließgewässers bei vorhandenen seitlichen Führungsmauern
etwa 35% bis 70% der Breite der Leitrampe, welche in diesem Falle
der Gewässerbreite
entspricht, kann aber insbesondere bei Leitrampen, welche sich nur über einen
Teil der Gewässerbreite
erstrecken, bis zu etwa 40% bis 70% der Gewässerbreite betragen.
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Der flexible Einbaukörper beginnt
Idealerweise im Abstand von wenigen Metern von einer gegebenenfalls
auf der Seite des steileren Endes der Leitrampe vorhandenen Uferböschung oder
Ufermauer, aus konstruktiven Gründen
kann jedoch auch die direkte Anbindung der Einbaukörpers an
die Uferstruktur erfolgen.
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Die Querschnittsgestaltung des flexiblen
Einbaukörpers
und der Verlauf seiner Höhe
in der Entwicklungsrichtung ist variabel und kann an die Erfordernisse
der Nutzung angepasst werden.
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Die maximale Höhe des flexiblen Einbaukörpers beträgt bevorzugt
zwischen 50% und 90%, insbesondere etwa 80%, der Höhe der Leitrampe.
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Der Einbaukörper weist eine strömungsgünstige Ausführung, insbesondere
des Überganges an
seinem oberwasserseitigen Fußpunkt,
auf.
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Die Neigung der oberwasserseitigen
Fläche des
Einbaukörpers
nimmt nach einer bevorzugten Ausführung in der Entwicklungsrichtung
der Welle zu, kann jedoch in einer konstruktiv einfacheren Ausgestaltung
auch konstant sein.
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Der flexible Einbaukörper zur
Wellenerzeugung weist bevorzugt einen flüssigkeits- oder luftgefüllten Membrankörper auf,
dessen Innendruck über Zu-
und Ableitungen sowie übliche
Pump- und Steuereinrichtungen stufenlos geregelt werden kann.
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Ein membranartiges Bauteil an dessen Oberwasserseite,
welches mit dem luft- oder
wassergefüllten
Membrankörper
bewegt werden kann, weist bevorzugt ein hohes Eigengewicht (etwa
25 kg/m2 bis 200 kg/m2) und eine hohe mechanische Belastbarkeit
auf. Mögliche
Materialien hierfür
sind Verbundgeotextilien, Sandmatten oder Metallgitter-Verbund-Konstruktionen.
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Das membranartige Bauteil ist an
seinem oberwasserseitigen Fußpunkt
vorzugsweise strömungsgünstig tangential
an die Sohle angeschlossen. Des Weiteren bedeckt das membranartige
Bauteil in gelegtem Zustand bevorzugt den typischerweise vibrationsanfälligeren
Membrankörper
und schützt ihn
vor Schäden
und Abnützungen.
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Die Membran dieses flexiblen Körpers ist
besonders widerstandsfähig
und steif aufgebaut. Im gestellten Zustand, d.h. im zur Wellenerzeugung
vorgesehenen Zustand, herrscht ein hoher Innendruck. Kräftige Haltevorrichtungen
sind zum Anschluss an das Fundament vorgesehen.
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Die Sicherung der schlaft liegende
Membrankonstruktion im vollkommen abgesenkten bzw. entleerten Zustand
gegen schädliche
Vibrationen erfolgt vorzugsweise durch die Einbettung der Membran
in einer Vertiefung, durch die zeitweise Sicherung mit selbsttätig wirkenden
mechanischen Verschlüsse (Klettsysteme
im Inneren des Membrankörpers)
oder das Aufbringen eines dauerhaften und ausreichenden Unterdruckes.
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Nach einer besonders bevorzugten
Weiterbildung ist ein strömungsgünstig geformtes
Stahlbauteil an der Oberwasserseite des Einbaukörpers vorgesehen, welches mit
dem luft- oder flüssigkeitsgefüllten Membrankörper bewegt
werden kann und am oberwasserseitigen Fußpunkt gelenkig gelagert ist, wobei
an der gelenkigen Lagerung ein strömungsgünstiger Übergang gegeben ist. Die Stahlkonstruktion
weist ein ausreichendes Gewicht zur Vermeidung schädlicher
Einwirkungen infolge von Vibrationen auf den Membrankörper im
gelegten Zustand auf.
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Bei dem Verfahren, welches eine bedarfsorientierte
Erzeugung stehender Wellen in Fließgewässern über ein breites Abflussspektrum
ermöglicht, wird
ein spezifischer Abfluss von mindestens 3,0 m3/(s.m) über ein
Querbauwerk geführt.
Dieser wird über
eine räumlich
gekrümmte
Leitrampe in schießendem
Strömungszustand
in auffächernder
Weise so geführt
und umgelenkt, dass er am Ende der Leitrampe einen Winkel von etwa
0° bis 30° im Grundriss zur
Achse des Gewässers
besitzt und Froude-Zahlen in der Größe von 1,5 bis 4,0 aufweist.
Dieser Schussstrahl trifft auf einen in einem Winkel von etwa 35° bis 55° im Grundriss
zur Gewässerachse
angeordneten flexiblen Einbaukörper
und wird weiter durch den flexiblen Einbaukörper nach oben abgelenkt wird.
Die Höhe
des flexiblen Einbaukörpers
ist so eingestellt, dass der Abfluss in schießendem Zustand über den Einbaukörper geführt werden
kann, wodurch eine stehende Welle entsteht. An einem Teilbereich
des Einbaukörpers
tritt ein Wechselsprung auf.
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Die Höhe des flexiblen Einbaukörpers wird hierbei
bevorzugt so eingestellt, dass in der weiteren Entwicklung der stehenden
Welle entlang des Einbaukörpers
eine ortsfeste brechende Welle entsteht.
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Zur Einhaltung des minimal erforderlichen spezifischen
Abflusses von 3,0 m3/(s·m) erfolgt soweit erforderlich
eine Abflusskonzentration durch eine geeignete Gestaltung der Krone
des Querbauwerkes, durch geeignete Wehrverschlüsse oder durch Sonderformen
von Wehrverschlüssen.
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Zur Einhaltung der weiter anzustrebenden Randbedingungen
insbesondere der Froude-Zahlen im genannten Bereich von 1,5 bis
4,0 kann die Lage der Energielinie im Oberwasser des Querbauwerkes durch
die Bewegung eines geeigneten Wehrverschluss, welcher auf der Krone
des Querbauwerkes angebracht sein kann, angepasst werden.
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Als flexible Einbaukörper können verschiedene
Vorrichtungen verwendet werden:
Die Bewegung des Einbaukörpers könnte durch
eine Höhenverstellbarkeit
eines festen Körpers
erfolgen (beispielsweise ein hydraulisch absenkbares Stahlbauteil).
Dies ist jedoch mit hohen Kosten und Einschränkungen in der Betriebssicherheit
(Geschiebeablagerungen u.a.) verbunden.
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Als Alternative kann ein aus der
Konstruktion von Wehrverschlüssen
bekanntes Verfahren (Schlauchwehr,
DE 692 01 170 T2 ,
DE 101 31 873 A1 ), welches
sich auf flexible Wehrkörper
beschränkt,
auf die Anwendung als strömungsführender
Einbaukörper übertragen
werden. Schlauchwehrkonstruktionen werden bisher nicht zur Strömungsführung eingesetzt.
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Der Vorteil der Erfindung besteht
insbesondere darin, dass ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
bedarfsorientierten Erzeugung von stehenden Wellen in Fließgewässern über ein
breites Abflussspektrum bereitgestellt ist. Von besonderem Vorteil ist
die Kontrollierbarkeit und Regelbarkeit der Bildung attraktiver
Wellen, insbesondere von Wellen mit einem Übergang von einer stehenden
nicht brechenden zu einer brechenden Welle. Durch die Nutzbarkeit über ein
breites Abflussspektrum wird die Betriebssicherheit, die Überwachbarkeit
und die Hochwasserneutralität
der Anlage gewährleistet.
Ebenso wird die ökologische
und flussbauliche Akzeptanz wesentlich erhöht.
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Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden
nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen jeweils
in vereinfachter Darstellung:
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1 den
Gesamtaufbau einer Anlage zur Wellenerzeugung,
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2 im
Querschnitt eine Wellenerzeugungsanlage mit einem Membrankörper,
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3.1 im
Querschnitt eine Wellenerzeugungsanlage mit einem in einer Vertiefung
versenkbaren Membrankörper,
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3.2 im
Querschnitt eine Wellenerzeugungsanlage mit einem Membrankörper mit
innenliegenden Verschlusselementen,
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3.3 im
Querschnitt eine Wellenerzeugungsanlage mit einem mit Unterdruck
beaufschlagbaren Membrankörper,
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4 im
Querschnitt eine Wellenerzeugungsanlage mit einem Membrankörper und
einem durch dieses betätigbaren
in sich starren Strömungslenkungsbauteil,
und
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5a, 5b eine Wellenerzeugungsanlagen mit
einer alternativen Grundrißgestaltung.
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Die in den 1 bis 4 dargestellten
Wellenerzeugungsanlagen haben vergleichbare Grundnssgestaltungen
und weisen in allen Fällen
eine Leitrampe 1 auf, welche in sich gekrümmt ist.
Die Leitrampe 1 grenzt rechtwinklig an ein Oberwasser mit einer
Strömungsrichtung
S. Die Strömungsrichtung
S entspricht der Längsachse
oder Achse L eines Fließgewässers. Vereinfachend
wird, sofern nichts anderes bestimmt ist, die Strömungsrichtung
S, auch wenn lokal abweichende Strömungsbedingungen vorliegen,
stets als parallel zur Achse L verlaufend betrachtet. Die Leitrampe 1 weist
Höhenlinien
HL, vergleichbar den Höhenlinien
einer kartographischen Darstellung, auf, welche fächerartig
auseinanderlaufen. Der Winkel zwischen den Höhenlinien und der Achse L wird
in Strömungsrichtung
S stetig geringer. Die Höhenlinie
am stromabwärtigen
Ende der Leitrampe 1 wird als Basishöhenlinie HL1 bezeichnet.
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Der Abfluss in dem Fließgewässer wird
an einem Querbauwerk Q, welches als erster Strömungsbeeinflussungskörper fungiert,
durch eine geeignete Formgebung der Krone des Querbauwerkes Q oder aber
auch unter Verwendung wehrartiger Verschlüsse 5 (beispielsweise
durch ein einseitig angeordnetes Schlauchwehr) in Abhängigkeit
der Wasserführung
so konzentriert, dass sich ein spezifischer Abfluss (d.h. Abfluss
pro Breitenmeter) von mindestens 3,0 m3/(s.m)
ergibt. Über
die Leitrampe 1 wird der Schussstrahl so auf den Fußpunkt eines
flexiblen Einbaukörpers 3,
welcher auch als Wellenerzeugungskörper oder zweiter Strömungsbeeinflussungskörper bezeichnet
wird, gelenkt, dass sich in einem wannenartigen Bereich 2 zwischen
Leitrampe 1 und Einbaukörper 3 Froude-Zahlen in der Größe von etwa 1, 5 bis 4 ergeben.
Der Wellenerzeugungskörper 3 weist
eine stromaufwärtige
Flanke 7 und eine stromabwärtige Flanke 8 auf,
welche vom nicht dargestellten Rand des Fließgewässers, beispielsweise eines
Uferbefestigung relativ weit beabstandet ist. Die maximale Höhe des Einbaukörpers ist
mit hm angegeben; die Höhe der Leitrampe 1 mit
hL. Die angeströmte Seite des Wellenerzeugungskörpers 3 ist
als Anströmungsfläche 9 bezeichnet.
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Sowohl die Fallhöhe der Anlage als auch die Rauhigkeit
der Leitrampe 1 sowie deren Geometrie sind auf diese Randbedingung
abzustimmen. Die Fallhöhe
kann in besonderen Fällen
durch eine Höhenverstellbarkeit
der Überlaufkrone
optimiert werden, beispielsweise ebenfalls durch ein Schlauchwehr 4.
Die im Raum verzogene Leitrampe 1 schließt an der
Basishöhenlinie
HL1, d.h. an der Schnittlinie zwuschen der
Leitrampe 1 und dem wannenartigen Bereich 2 eine
Winkel α von
30° bis
50° mit
der Achse L des Fließgewässers ein.
Die Neigung der Leitrampe 1 in Strömungsrichtung S beträgt an ihrem
steileren Ende etwa h:b = 1:1 bis 1:3.
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Die Sohle des wannenartigen Bereiches 2 ist eben
oder geringfügig,
insbesondere in der Entwicklungsrichtung der Welle ansteigend, geneigt.
Der flexible Einbaukörper 3 ist
bezogen auf den Verlauf seiner oberwasserseitigen Begrenzung im
Grundriss Idealerweise in einem Anstellwinkel β von etwa 35° bis 55° zur Achse L des Fließgewässers angeordnet und
erstreckt sich im Regelfall über
etwa die Hälfte der
Breite der Leitrampe 1. Wesentliche Aufgabe des flexiblen
Einbaukörpers 3 ist
es, bei geeigneten hydraulischen Eingangsbedingungen im wannenartigen
Bereich 2 (Froude-Zahl, spezifischer Abfluss) durch eine
räumliche
Strömungsumlenkung
das Entstehen einer ortfesten, stehenden Welle zu verursachen. Hierbei
wird die Strömung
jedoch nicht mittels einer wellenartigen Kontur des Einbaukörpers 3 direkt
geführt,
weshalb sich die Anforderungen an dessen Geometrie in Grenzen halten.
Die stehende Welle baut sich an dem flexiblem Einbaukörper 3 auf, nimmt
in ihrem weiteren Verlauf an Höhe
zu und geht schließlich
idealerweise in eine brechende Form (überhängende Lippe) über. Dieser Übergangsbereich
besitzt u.a. aufgrund des hier maximalen Gefälles an der Wellenvorderseite
eine besondere Attraktivität
zum Wellenreiten. Weiter in Richtung Unterwasser nimmt die Wellenhöhe ab und
die Fließbewegung
geht in einen gewellten Abfluss mit deutlich niedrigeren Wellenhöhen über.
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Wesentliche Merkmale des Einbaukörpers 3 sind
eine sehr strömungsgünstige Ausführung seines oberwasserseitigen
Fußpunktes,
seine Lage im Grundriss und die stufenlose Verstellbarkeit seiner Höhe und Gestalt.
Durch die Möglichkeit
der Höhenanpassung
kann sichergestellt werden, dass die grundsätzliche Fließbewegung über den
Körper
gerade noch im Schießen
erfolgen kann. Idealerweise werden am Hochpunkt bzw. am Kamm des
Einbaukörpers 3 gerade
die kritischen Veehältnisse,
d.h. hier der theoretische Übergang
von der schießenden in
eine strömende
Fließbewegung,
erreicht. Dies begründet
das Entstehen einer wechselsprungartigen Sekundärwelle am Kamm des Einbaukörpers 3,
welche in dessen weiteren Verlauf das Brechen der Welle einleitet.
Zudem wird durch die Regulierbarkeit der Höhe die Ausbildung eines unkontrollierten
Wechselsprunges auf dem Rücken
der Einbaukörpers 3,
welcher ein Volllaufen des wannenartigen Bereiches 2 zwischen
Leitrampe 1 und Einbaukörper 3 verursachen
würde,
verhindert. Die Querschnittsgestaltung des flexiblen Einbaukörpers 3 und
der Verlauf seiner Höhe
in der Entwicklungsrichtung ist variabel und kann an die Erfordernisse
der Nutzung so angepasst werden, dass beispielsweise in einem größeren Teilbereich
der Vorrichtung, insbesondere im Uferbereich, eine stehende Welle
vorhanden ist, welche aufgrund der dort vorhandenen geringeren Strömungsgeschwindigkeit
und geringerem Wasserspiegelgefälle
die Zufahrt für
Wellenreiter zum brechenden Bereich der Welle erleichtert. Der Einbaukörper 3 kann völlig abgesenkt
werden, wodurch auch die Existenz der stehenden Welle beendet wird.
Ein etwaiger Einfluss der stehenden Welle auf die Flussmorphologie und
die Flussökologie
bleibt daher auf die Betriebszeiten der Vorrichtung beschränkt. Das
vollständige Absenken
des Einbaukörpers 3 begründet auch
die Hochwasserneutralität
der Vorrichtung. Ungünstige Strömungszustände, welche
Sicherheits- und Haftungsprobleme verursachen könnten, sind außerhalb der
Betriebszeiten der Anlage, bzw. bei abgesenktem Einbaukörper 3,
ausgeschlossen. Die ökologische Durchgängigkeit
der Vorrichtung ist bei entsprechender Gestaltung der Leitrampe 1 bzw.
der angrenzenden Bereiche gewährleistet.
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In jeder der in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungsformen
ist eine Membran eines Membrankörpers
oder Schlauchkörpers
A, H wird mittels einer Haltekonstruktion an einer massiven Unterkonstruktion
befestigt. Der von Membran und Haltekonstruktion dicht umschlossene
Innenraum ist mit einem Fluid D befüllbar. Über den Innendruck lässt sich
die Höhe
des den Membrankörper
A einschließenden oder
mit diesem identischen Einbaukörpers 3 stufenlos
regulieren und an die hydraulischen Randbedingungen anpassen. Den
erheblichen dynamischen Belastungen wird durch einen hohen Innendruck, durch
eine widerstandsfähige
Membrankonstruktion und entsprechend kräftige Haltevorrichtungen Rechnung
getragen. Im vollkommen abgesenkten bzw. entleerten Zustand ist
die schlaft liegende Membrankonstruktion gegen schädliche Vibrationen
zu sichern. Dies kann durch die Einbettung der Membran in eine Vertiefung
E, wodurch eine schlaffe Lagerung der Membran vermieden wird, durch
die zeitweise Sicherung mit geeigneten mechanischen Verschlüssen F (u.a.
Klettsysteme) oder das Aufbringen eines dauerhaften und ausreichenden
Unterdruckes G erreicht werden.
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In 4 ist
die Nutzung eines als Stahlkonstruktion ausgebildeten Strömungslenkungsbauteils 1 als
Teil des insgesamt höhenverstellbaren
Einbaukörpers 3 dargestellt.
Durch den Innendruck des flüssigkeits-
oder luftgefüllten
Membrankörpers
H wird der Aufstellwinkel der an dessen Oberwasserseite befestigten
strömungslenkenden
Stahlkonstruktion 1 verändert,
wodurch der Einbaukörper 3 an
die hydraulischen Randbedingungen angepasst werden kann. Die Stahlkonstruktion 1 ist
mit einem Gelenk an der massiven Unterkonstruktion fixiert, auf
welcher auch der Membrankörper 3 mittels
Haltekonstruktionen befestigt ist. Ein ähnliches Antriebsprinzip ist
aus dem Stahlwasserbau für
Wehrverschlüsse bekannt (United
States Patent 4.780.024). Diese Konstruktion wird bisher jedoch
nicht zur Strömungsführung eingesetzt.
Die Gefahr von Vibrationen im gelegten Zustand ist bei dieser Konstruktion
gegenüber
einer vollständigen
Membranlösung
(s.o.) geringer. Im gelegten Zustand können Arretierungen des Systems vorgenommen
werden.
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Eine alternative Ausführungsform
eines Einbaukörpers
oder Wellenerzeugungskörpers 3 mit
einem flüssigkeits-
oder luftgefüllter
Membrankörper
A, dessen Innendruck über
Zu- und Ableitungen sowie übliche
Pump- und Steuereinrichtungen geregelt werden kann, zeigt 2. Auf dem Membrankötper A ist
oberwasserseitig eine weitere flexible Konstruktion angeordnet.
Dieses membranartige Bauteil B weist ein vergleichsweise hohes Eigengewicht
und hohe mechanische Belastbarkeit auf. Als Materialien hierfür kommen
insbesondere Verbundgeotextilien, Sandmatten oder Metallgitter-Verbund-Konstruktionen
in Frage. Das Membranbauteil B ist an seinem oberwasserseitigen
Fußpunkt
C strömungsgünstig tangential
an die Sohle angeschlossen. Mittels des Membrankörpers A wird das Membranbauteil
B bei Bedarf auf die gewünschte
Höhe angehoben
bzw. abgesenkt. Wesentlicher Vorteil dieser Vorrichtung ist die
infolge des frei wählbaren,
hohen Eigengewichtes des Membranbauteils B erheblich geringere Schwingungsanfälligkeit
insbesondere im gelegten Zustand des Einbau-Körpers.
Gegenüber
Stahlkonstruktionen sind sowohl die Investitionen als auch die Unterhaltskosten
erheblich reduziert.
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Die 5a und 5b zeigen eine weitere Ausführungsform
einer Anlage zur Erzeugung stehender Wellen, wobei sich in diesem
Fall an die Leitrampe 1 eine sogenannte Planrampe 6 konstanter
Breite anschließt,
welche eine größere Rauhigkeit,
insbesondere in Form einer naturnahen Gestaltung, aufweist als die
Leitrampe 1. Die Breite BW des Wellenerzeugungskörpers 3 ist
im Ausführungsbeispiel
nach 5a und 5b größer als die Breite BL der Leitrampe 1.
Die Breite des Fließgewässers ist
mit BF angegeben. Des weiteren weist der Wellenerzeugungskörper 3 nach 5a und 5b eine schlankere Form auf, wovon jedoch
die grundsätzliche
Funktionsweise nicht beeinträchtigt
ist. Das Verhältnis
zwischen der größten Steigung
der Leitrampe 1 und der geringsten Steigung der Leitrampe 1,
welche mit der Steigung der Planrampe 6 identisch ist,
liegt bei etwa 2 bis 8, insbesondere 3 bis 6,
woraus sich insgesamt besonders günstige Strömungsverhältnisse, insbesondere eine
gezielte Strömungsleitung
zum Einbaukörper 3 mit
geringem Energieverlust, ergeben.
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Beide Rampen 1, 6 bilden,
ebenso wie das Schlauchwehr 4 und der Verschluss 5 nach
den oben anhand der 1 bis 4 näher erläuterten Ausführungsbeispielen,
je einen Anströmungsabschnitt
für das
Fließgewässer, wobei
in jedem Fall zumindest einer der Anströmungsabschnitte 1, 4, 5, 6 seitlich – bezogen
auf die Strömungsrichtung
S – relativ
zum Einbaukörper
versetzt angeordnet ist. Die benachbarten Anströmungsabschnitte 4, 5 bzw. 1, 6 sind
jeweils unterschiedlich höheneinstellbar.
Dies bedeutet, dass entweder nur einer oder beide der jeweils aneinander
grenzenden Abschnitte 1, 4, 5, 6 höheneinstellbar
ist. In jedem Fall ist durch unterschiedliche Höheneinstellung der Abschnitte 1, 4, 5, 6 eine
gezielte Strömung
der Leitrampe 1 zuleitbar, auf welcher der Abfluss auf
mindestens ca. 3,0 m3/(m·s) eingestellt wird.
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- 1
- Leitrampe
- 2
- wannenartiger
Bereich
- 3
- Einbaukörper, Wellenerzeugungskörper
- 4
- Schlauchwehr
- 5
- Verschluss
- 6
- Planrampe
- 7
- Flanke
- 8
- Flanke
- 9
- Anströmungsfläche
- α
- Winkel
- β
- Anstellwinkel
- A
- Membrankörper, Schlauchkörper
- B
- Membranbauteil
- BF
- Breite
des Fließgewässers
- BW
- Breite
des Wellenerzeugungskörpers
- BL
- Breite
der Leitrampe
- C
- Fußpunkt
- D
- Fluid
- E
- Vertiefung
- F
- Verschlusselement
- G
- Unterdruck
- hm
- maximale
Höhe
- hL
- Höhe der Leitrampe
- H
- Membrankörper
- I
- Strömungslenkungsbauteil
- HL
- Höhenlinie
- L
- Längsachse
- Q
- Querbauwerk
- S
- Strömungsrichtun