Gierra, Tobias

Helbig, Ulf

Klüber, Christoph

Stamm, Jürgen

German

Hydraulic Engineering Repository

Conference Paper, Published VersionStamm, Jürgen; Helbig, Ulf; Gierra, Tobias; Klüber, ChristophTalsperre mit Wasserkraftnutzung: Hybride Modellierungder DhrontalsperreDresdner Wasserbauliche MitteilungenZur Verfügung gestellt in Kooperation mit/Provided in Cooperation with:Technische Universität Dresden, Institut für Wasserbau und technischeHydromechanikVerfügbar unter/Available at: https://hdl.handle.net/20.500.11970/103600Vorgeschlagene Zitierweise/Suggested citation:Stamm, Jürgen; Helbig, Ulf; Gierra, Tobias; Klüber, Christoph (2011): Talsperre mitWasserkraftnutzung: Hybride Modellierung der Dhrontalsperre. In: Technische UniversitätDresden, Institut für Wasserbau und technische Hydromechanik (Hg.): Wasserkraft mehrWirkungsgrad + mehr Ökologie = mehr Zukunft. Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen 45.Dresden: Technische Universität Dresden, Institut für Wasserbau und technischeHydromechanik. S. 149-158.Standardnutzungsbedingungen/Terms of Use:Die Dokumente in HENRY stehen unter der Creative Commons Lizenz CC BY 4.0, sofern keine abweichendenNutzungsbedingungen getroffen wurden. Damit ist sowohl die kommerzielle Nutzung als auch das Teilen, dieWeiterbearbeitung und Speicherung erlaubt. Das Verwenden und das Bearbeiten stehen unter der Bedingung derNamensnennung. Im Einzelfall kann eine restriktivere Lizenz gelten; dann gelten abweichend von den obigenNutzungsbedingungen die in der dort genannten Lizenz gewährten Nutzungsrechte.Documents in HENRY are made available under the Creative Commons License CC BY 4.0, if no other license isapplicable. Under CC BY 4.0 commercial use and sharing, remixing, transforming, and building upon the materialof the work is permitted. In some cases a different, more restrictive license may apply; if applicable the terms ofthe restrictive license will be binding.34. Dresdner Wasserbaukolloquium 2011: Wasserkraft – mehr Wirkungsgrad + mehr Ökologie = mehr Zukunft Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen 149  Block  B4 Talsperre mit Wasserkraftnutzung: Hybride Modellierung der Dhrontalsperre Jürgen Stamm, Ulf Helbig, Tobias Gierra, Christoph Klüber Die RWE Power AG betreibt für die RWE Innogy das Dhronkraftwerk an der Mosel. Die Kraftanlage verfügt über eine installierte Leistung von ca. 8 MW, eine Fallhöhe von etwa 100 m sowie einen Ausbaudurchfluss von rund 11 m³/s und liegt ca. 20 km östlich der Stadt Trier. Der Bauzustand der Hochwasserentlastungsanlage (v. a. Kaskaden, Tosbeckenanlage) zeigt sich derzeitig so, dass vom Betreiber mittelfristig eine Sanierung vorgenommen werden muss. Zur Ermittlung der auftretenden hydrodynamischen Kräfte an der Hochwasserentlastungsanlage (HWE) des Sperrbauwerks infolge des ausgeprägten turbulenten dreidimensionalen Fließzustandes wird am Institut für Wasserbau und Technische Hydromechanik (IWD) eine Hybridmodellierung im Sinne einer dualen Modellierung vorge-nommen. By order of the RWE Innogy the RWE Power AG operates the dam „Dhrontal-sperre“ near by the Mosel River, approx. 20 km to the east of Trier. The plant possesses an engine power of 8 MW by using a penstock of 100 m and a design flow of 11 m³/s. Due to the necessary concrete’s reconstruction the operator has to rehabilitate the complete spillway (cascades, stilling basin) of the dam soon. For a subsequent design the Institute of Hydraulic Engineering and Technical Hydromechanics (IWD) shall determine the hydrodynamic loads on the dam’s spillway by using a scale model and a 3d-hydronumerical model (dual modelling).  1 Einleitung Die RWE Power AG betreibt für die RWE Innogy das Dhronkraftwerk an der Mosel, das in den Jahren 1911 bis 1913 von der Stadt Trier zur Erzeugung elektrischen Stroms errichtet wurde. Die Kraftanlage mit einer installierten Leistung von ca. 8 MW bei einer Fallhöhe von etwa 100 m und einem Ausbaudurchfluss von rund 11 m³/s liegt circa 20 km östlich der Stadt Trier, in der Nähe des Ortes Trittenheim (Moseltal) (vgl. Abbildung 1). Das als gekrümmte Gewichtsstaumauer realisierte Bauwerk liegt in der Nähe der Ortschaften Heidenburg und Neumagen. Das Absperrbauwerk aus Bruchstein-mauerwerk weist eine Höhe von ca. 24 m über Gründungssohle bzw. ca. 17 m über Talsohle auf und besitzt eine mittlere Kronenlänge von etwa 95 m. Die Überfallkrone ist in 10 Überfallfelder unterteilt. Das Überfallprofil ist breitkronig ausgeführt. Die Hochwasserentlastung erfolgt durch Überströmen der Mauer-krone, wobei aufgrund unterschiedlicher Höhenlagen der Überfallkronen die Mauerfelder nacheinander anspringen. Auf der Luftseite der Staumauer sind zwei Kaskadentreppen angeordnet, wobei auf der westlichen Seite 7 Stufen und auf der 150 Talsperre mit Wasserkraftnutzung: Hybride Modellierung der Dhrontalsperre   östlichen Seite 6 Stufen errichtet wurden. Der Höhenunterschied zwischen den einzelnen Kaskadenebenen beträgt auf der östlichen Treppe 2,05 m bis 2,15 m und auf der westlichen Treppe 1,84 m bis 1,88 m. Die Absturzhöhe zum Tosbecken beträgt ca. 3,0 m (vgl. Abbildung 1).        Abbildung 1: links oben: Geographische Einordnung der Anlage, rechts und un-ten: Ansicht Bauwerk mit Kaskadentreppen, Tosbecken und Über-fallprofil Im Rahmen der Vorbereitung der mittelfristigen Sanierung der Dhrontalsperre sollen die dynamischen Strömungskräfte auf die Kaskadentreppen und im Tosbecken als Eingangswerte der Standsicherheitsberechnungen sowie die generelle Leistungsfähigkeit der Hochwasserentlastungsanlage modelltechnisch ermittelt bzw. nachgewiesen werden. Zu deren Bestimmung wird derzeitig am IWD ein physikalischer Modellversuch durchgeführt, der aufgrund großteils fehlender Naturdaten um 3D-hydro-numerische Simulationsrechnungen im Sinne einer dualen Modellierung ergänzt ist.  2 Physikalischer Modellversuch Zur Gewährleistung einer hinreichend genauen Näherung der hydraulischen Modellversuche an die realistischen Strömungsverhältnisse müssen die Beziehungen zwischen den die Strömung beeinflussenden Kräften gleich den Verhältnissen in der Natur sein. Dies wird in der Regel durch Einhaltung der geometrischen, kinematischen und auch dynamischen Ähnlichkeit gewährleistet. Überfallprofil Trier Mosel Dhrontalsperre Tosbeckenanlage Kaskaden- treppe Ost Kaskaden- treppe West 34. Dresdner Wasserbaukolloquium 2011: Wasserkraft – mehr Wirkungsgrad + mehr Ökologie = mehr Zukunft Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen 151  Block  B4 Bei offenen Gerinnen überwiegen die Trägheits- und Schwerkräfte. Das Verhältnis zwischen diesen Kraftgrößen beschreibt am besten die FROUDE-Zahl (Fr). Für die nachfolgenden Untersuchungen wurde daher das FROUDE’sche Ähnlichkeitsgesetz angewendet. Die FROUDE-Zahlen müssen dabei im Modell genau so groß wie in der Natur sein (FrN = FrMDer Versuchsaufbau wurde im Hubert-Engels-Labor am IWD vorgenommen (vgl. Abbildung 2). Die Umsetzung erfolgte im Maßstab M 1 : 20 mit den in der Tabelle 1 angegebenen Modelldaten. ). Reibungseinflüsse (Rauheiten) werden vernachlässigt.  Tabelle 1:  Natur und Modelldaten gemäß der Anwendung des FROUDE’schen   Modellgesetzes  Größe    Einheit    Naturkenn-werte  Maßstabs- faktoren (FROUDE) 1 : n Modellkennwerte  x 1 : 20 Länge [m] ca. 96,00 nL  = 20 ca. 4,80 Breite [m] ca. 70,00 ca. 3,50 Höhendifferenz [m] ca. 16,50 ca. 0,82 mittlere Überfallbreite der 10 Felder [m] ca. 7,27 ca. 0,36 maximale Überfallhöhe [m] ca. 1,00 ca. 0,05 Durchfluss BHQ 1 [m³/s] 61,72 nQ = (nL)2,5  = 1.789 0,034 (34,5 l/s) Durchfluss BHQ 2 [m³/s] 72,31 0,040 (40,4 l/s) „Mannlast“ nach DIN DIN EN 1991-1-1 [9] (QM,k[N] ) 1000 (1,00 KN) nF = (nL)3 0,125  = 8.000 Der notwendige Wasserkreislauf wird durch eine frequenzgesteuerte Tauch-pumpe im Rücklaufkanal des Labors realisiert. In der Steigleitung zwischen Pumpe und Modellleitung befindet sich ein magnetisch-induktiver Durchfluss-messer (MID) zur Durchflussmessung. Die Erfassung der Wasserstände erfolgt mittels Ultraschallsensoren. 154 Talsperre mit Wasserkraftnutzung: Hybride Modellierung der Dhrontalsperre   Mit Hilfe des CAD-Programms AutoCAD2011 erfolgte im Vorfeld die Erstellung der 3D-Volumenkörper, die über das Austauschformat Stereolithographie (STL) in das Programmsystem FLOW-3D®Als zentrales Element des Bauwerks stand die gekrümmte Staumauer inklusive der Überfallprofile im Fokus der Geometrieerstellung. In den vorliegenden Unter-lagen wurde das Bauwerk mit einem Radius von R ≈ 92,50 m angegeben. Im Laufe der Bearbeitung wurde jedoch festgestellt, dass die Krümmung der Mauer mit Verweis auf die zur Verfügung gestellten Vermessungsdaten keinem kons-tanten Radius folgt. Dies machte es erforderlich, die Staumauer über einen Korbbogen in vier Radien aufzuteilen (vgl. Abbildung 6). Einbauten wie der Eingang zum Stollen sowie die Abdeckungen der Messtechnik wurden ebenfalls berücksichtigt (vgl. Abbildung 6).  übertragen worden waren. Das umgebende Gelände, insbesondere das des Staubeckens im direkten Zulaufbereich der Hochwasserentlastungsanlage, wurde aufgrund der zu erwartenden Beeinflussung der Abflussverteilung der einzelnen Überfallfelder mit berücksichtigt. (vgl. Abbildung 5). QuelltopfGelände UW Kaskade Ost mit WangenmauerKaskade West mit WangenmauerTosbeckenÜberfallprofil mit PfeilernStaumauergrundkörperStützmauer OstSchieberhaus Ost mit ÜbergangFüllkörperStützmauer WestGelände  Staubecken Abbildung 5: Geometrie und Bezeichnung des numerischen Gesamtmodells Aufgrund der sehr unregelmäßigen Struktur der aus Bruchstein bestehenden Stau-mauer wurde eine absolute hydraulische Rauheit von k = 100 mm für rauhen Naturstein gewählt. Dem Überfallprofil ist eine absolute hydraulische Rauheit 34. Dresdner Wasserbaukolloquium 2011: Wasserkraft – mehr Wirkungsgrad + mehr Ökologie = mehr Zukunft Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen 155  Block  B4 von k = 2 mm für glatten Beton zugewiesen worden. Die Kaskadensohlen und     -wangen sowie das Tosbecken erhielten aufgrund der bereits deutlich zu erken-nenden Verwitterungen eine absolute hydraulische Rauheit von k = 6 mm.    Abbildung 6: links: Konstruktion des Staumauergrundkörpers in AutoCAD® , rechts: Detailgetreue Modellierung der Einbauten im Staumauer-körper  Abbildung 7: Vernetzung und rechnerische Leistungskomponenten des 3D-hydronumerischen Modells Die Erstellung des Geländes erfolgte mit Unterstützung durch das Programm-system SMS®. Durch die Möglichkeit der drei- und viereckigen Vernetzung auf Grundlage von geographischen Punktdaten konnte die Topographie des Untersu-156 Talsperre mit Wasserkraftnutzung: Hybride Modellierung der Dhrontalsperre   chungsgebietes modelliert werden. Die Datengrundlage bildeten die zur Verfügung gestellten CAD-Daten mit Höhenlinien sowie die vorhandenen Profile im Unterwasserbereich der Talsperre. Die Stützpunkte der als Polylinien vorlie-genden Daten konnten in SMS®Im Modell wird rechnerisch keine mechanische Interaktion zwischen den Massivbauwerken (Staumauer, Kaskaden, Topographie, …) und dem Fluid vorgenommen, sie gelten bei den fluiddynamischen Betrachtungen als unendlich steif (vgl. Abbildung 8).  in Streupunkte, sogenannte Scatterpoints, kon-vertiert werden. Mit Hilfe dieser Punkte ist das Gelände entsprechend vernetzt bzw. trianguliert worden. Die Umsetzung des Berechnungsnetzes erfolgte über drei Netzblöcke als sogenanntes Multi-Block-Netz. Dadurch konnten verschie-dene Regionen der Geometrie mit unterschiedlicher Zellgröße aufgelöst werden (vgl. Abbildung 7).  Abbildung 8: Zuordnung Massivbauwerke, Definition von Rauheiten Die Durchflussmessung erfolgt in FLOW-3D®Die numerische Bestimmung von Kräften bzw. Flächenlasten erfolgt in der Auswertung durch die Aufsummierung der berechneten Drücke an den Netz-elementen innerhalb einer betrachteten Partialfläche A standardmäßig über die Netzrän-der bzw. kann über diese durch den Nutzer erfolgen. Des Weiteren ist es möglich, Durchflussmessquerschnitte in das Modell zu integrieren. Hier ist es im vorlie-genden Fall von primärem Interesse, welcher Abfluss in den einzelnen Über-fallfeldern (F 1 – F 10) vorherrscht bzw. welcher Durchfluss bei einem Übertritt über die seitlichen Kaskadenwangen zu erwarten ist (vgl. Abbildung 8). i. 34. Dresdner Wasserbaukolloquium 2011: Wasserkraft – mehr Wirkungsgrad + mehr Ökologie = mehr Zukunft Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen 157  Block  B4 4 Aktueller Ergebnisstand Die Untersuchungen zur Dhrontalsperre sind gegenwärtig noch nicht abgeschlos-sen und befinden sich in der weiteren Bearbeitung. Es kann jedoch bereits jetzt festgestellt werden, dass sehr gute Übereinstimmungen bei der Ermittlung der hydrodynamischen Kraftgrößen zwischen beiden Modellen vorliegen (vgl. Abbil-dung 9).   0,000,200,400,600,801,001,20S-W-1aS-W-2aS-W-3aS-W-4aS-W-5aS-W-6aS-W-7aS-W-1bS-W-2bS-W-3bS-W-4bS-W-5bS-W-6bS-W-7bi-te Teilfläche Sohle der westlichen Kaskadentreppe [-]relative Flächenlast pi,rel [-]Physikalischer ModellversuchNumerische Simulation, FLOW-3D®BHQ 1 Abbildung 9: oben: Bezeichnung der Sohlflächen an der westlichen Kaskaden-treppe, unten: Exemplarischer Vergleich der relativen Flächenlas-ten physikalisches/numerisches Modell, Q = BHQ 1 = 61,72 m³/s Auch wird deutlich, dass aufgrund der vorhandenen Makroturbulenzeffekte die größten Sohlflächenlasten nicht zwangsweise mit der größten Fallhöhe korre-lieren müssen. Weiterhin zeigt sich, dass die abflussabhängige maximale 158 Talsperre mit Wasserkraftnutzung: Hybride Modellierung der Dhrontalsperre   Flächenbelastung für eine i-te Partialfläche AiDes Weiteren wird derzeitig noch geklärt, welchen Einfluss der Lufteintrag (Belüftung) vor allem auf die Ausbildung der dynamischen Kraftverhältnisse sowie auf die abfließenden Wasservolumina im Bereich der Kaskaden ausübt.  nicht bei einem definierten Maximalabfluss auftreten muss, sondern bereits bei kleineren Abflüssen auftreten kann. Daher ist hier eine dezidierte Untersuchung innerhalb erwarteter Abflussverhältnisse zwingend notwendig, da für eine Bemessung der massiven Betonbauteile die Angabe der maximalen charakteristischen Kraft- bzw. Flächen-lastgrößen von maßgeblicher Bedeutung sind.  5 Danksagung Der hier aufgeführte Fachbeitrag ist in Zusammenarbeit mit der RWE Power AG, Huyssenallee 2, 45128 Essen (Ansprechpartner: Herr J. Schlüter) entstanden.            Autoren: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jürgen Stamm  (Juergen.Stamm@tu-dresden.de)  Dr.-Ing. Ulf Helbig    (Ulf.Helbig@tu-dresden.de) Dipl.-Ing. Tobias Gierra   (Tobias.Gierra@tu-dresden.de) Christoph Klüber, B. Eng.   (Christoph.Klueber@googlemail.com) Technische Universität Dresden Institut für Wasserbau und Technische Hydromechanik D-01062 Dresden Tel.: +49 – 351 – 463 34397 Fax.: +49 – 351 – 463 37120 

Talsperre mit Wasserkraftnutzung: Hybride Modellierung der Dhrontalsperre

http://henry.baw.de/bitstream/20.500.11970/103600/1/Stamm_Talsperre%20mit%20Wasserkraftnutzung.pdf

Talsperre mit Wasserkraftnutzung: Hybride Modellierung der Dhrontalsperre

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