-
Selbsttätiger Segmentverschluß mit überlaufnase, insbesondere für
kleinere oder mittlere Hochwasser-Rückhaltebecken Die Erfindung betrifft einen selbsttätigen
Segmentverschluß, insbesondere für kleinere oder mittlere Hochwasser-Rückhaltebecken,
mit wenigstens einem starren, zwischen seinen Enden im Oberwasser schwenkbar gelagerten,
zweiarmigen Stützrahmen, an dessen einem Ende ein den Verschl luß bis zum Erreichen
einer vorbestimmten Stauhöhe in Schließstellung haltendes Gewicht zum Ausg gleichen
der wirksamen Drehmomente angreift, wobei das am anderen Ende angeordnete Verschlußsegment
eine gegenüber der Stauwand des Segments abgekantete, in der SchließsteRung des
Wehres nach dem Unterwasser hin schräg ansteigende überlaufnase aufweist, auf welche
das Wasser eine im öffnungssinne wirkende Kraft ausüben kann. Ein solcher selbsttätiger
Segnientverschluß ist überall da bei Talsperren oder anderen Stauanlagen anwendbar,
bei denen es auf eine weitgehende Verringerung des unbeherrschbaren Z, CD
Speicherraumes
und eine möglichst weitgehende Konstanthaltung eines maximalen Stauspiegels ankommt
und die Abflußkurve den wasserwirtschaftlichen Erfordernissen angepaßt werden muß.
Er ist auch bei solchen Anlagen des Wasserbaues anwenbar, bei denen Fragen der Bewässerung
eine wesentlicheRolle spielen.
-
Bei Hochwasser-Rückhaltebecken und Talsperren kann bekanntlich ein
extremer Belastungsfall dadurch auftreten, daß auf ein vom Hochwasser gefülltes
Becken eine zweite Hochwasserwelle mit maximalen Spitzenabflußwerten trifft.
-
Um überflutungen und damit Zerstörungen des Abschlußbauwerkes bzw.
der Absperrdämme zu vermeiden, muß gewährleistet sein, daß auch größte Wassermengen
schadlos abgeführt werden. Zu diesem Zweck werden häufig feste überlaufschwellen
oder Wehranlagen eingesetzt. Der betriebliche Nachteil der festen Schwelle liegt
darin, daß entweder bei kleinen überfallhöhen sehr große Bauwerkslängen erforderlieh
sind, um die Hochwassermenge abzuführen oder aber arößere überfallhöhen zugelassen
werden müssen. Dadurch wird der wasserwirtschaftliche Effekt merklich gemindert,
da die, von der überfallhöhe gebildete Speicherlamelle, die besonders bei Flachlandverhältnissen
einen erheblichen Teil des Gesamtbeckeninhaltes einnimmt, nicht kontrollierbar bewirtschaftet
werden kann.
-
Man hat daher bewegliche Verschlüsse (Klappen, Schützen, Seamente
od. dgl.) eingesetzt, die jedoch den großen Nachteil haben, daß sie eines Fremdantriebes
bedürfen und damit entsprechend störanfällig sind. Sie können deshalb auch nur bei
großen Anlagen, bei denen eine permanente Wartung und Bedienung möglich ist, eingesetzt
werden. Bei kleineren und mittleren Becken ist jedoch aus wirtschaftlichen Gründen
eine solche ständige Wartung nicht zweckmäßig. Hier sind vornehmlich selbsttätige
Verschlüsse, die in verschiedenen Formen, vor allem auf Klappenwehrbasis entwickelt
worden sind, einzusetzen.
-
So ist ein selbsttätiges Stauwehr bekannt, das ein Verschlußsegment
mit schräg ansteigender überlaufnase an einem Ende eines zweiarmigen Stützrahmens
aufweist, an dessen anderem Ende ein Ausgleichgewicht angreift. Auf die überlaufnase,
die in der tiefsten Stellung des Verschlußsegmentes horizontal verläuft, kann das
Wasser eine Kraft im öffnungssinne ausüben, der das Ausgleichgewicht entgegenwirkt.
Die öffnungskraft des Wassers nimmt nicht nur mit steigendem Wasserspiegel, sondern
auch mit sich absenkendem Verschlußelement zu. Damit sich das Wehr selbsttätig einstellen
kann, muß die Schließwirkung des Ausgleichgewichts entsprechend veränderbar sein.
Zu diesem Zweck ist bei diesem bekannten Wehr das Gewicht als Rollgewicht oder als
Schwenkgewicht ausgebildet, wobei sein radialer Ab-
stand von der Achse des
zweiarmigen Stützrahmens für jede Stellung des Verschlußsegments durch eine Ketten-
oder Seilsteuertin- mit ortsfester Umlenkstelle voraegeben ist. Ein wesentlicher
Nachteil dieser Ausbildung besteht darin, daß neben der stets notwendigen Lagerstelle
für das Verschlußelement noch eine merkliche Anzahl von beweglichen Teilen und Gelenk-
bzw. Lagerstellen benötigt wird, welche für einen robusten Betrieb zu Störungen
Anlaß geben können. Neben der Selbsttätigkeit ist aber absolute
Betriebssicherheit
eine unabdingbare Forderung für den Einsatz solcher vornehmlich bei unoe-wÖhnliehen,
d.h. unerwarteten Hochwassersituationen in Funktion tretenden selbsttätigen Verschlüssen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen selbsttätigen Segmentverschluß
der eingangs bezeichneten Art so weiterzubilden, daß er bei besonders robuster Ausbildung
ein Höchstmaß an Betriebssicherheit und ein zuverlässiges Einspielen auf die jeweils
den Hochwasserverhältnissen entsprechende Gleichgewichtslage gewährleistet.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gegengewicht
als aufrechter Schwimmer ausgebildet ist, der fest am Stätzrahmen angeordnet ist
und im unteren Teil einen mit zunehmender Eintauchtiefe größer werdenden Auftriebsquerschnitt
aufweist, während die überlaufnase in der Weise geneigt ist, daß sie auch in voll
abgesenkter Stellung des Verschlußsegments zum Unterwasser hin gegen die Horizontale
unter einem merklichen Winkel schräg ansteigt. Der selbsttätige Segmentverschluß
nach der Erfindung bildet damit ein in sich starres System, das - außer der
Bewegung des Verschlusses selbst - keinerlei zusätzlicher Bewegungen von
einzelnen Teilen bedarf. Dadurch wird einmal eine außergewöhnliche Robustheit bei
besonders einfachem Aufbau des Verschlusses erzielt. Da außer der Lagerstelle des
Verschlusses selbst jede weitere Führung oder Gelenk- bzw. Lagerstelle entfällt,
gewährleistet das System ein Höchstmaß an Betriebssicherheit. Dabei geht die Erfindung
von der Kenntnis aus, daß die Gleichgewichtslagen des Verschlußsegments zwischen
der Schließstellung und der vollen Absenkstellung nicht nur von der Auflast des
Wassers auf die überlaufnase und die am Schwimmer angreifenden Kräfte, sondern im
wesentlichen Umfang von der hydrodynamischen Belastung der überlaufnase durch den
überfallenden Abflußstrahl beeinflußt werden. Dabei ist diese dynamische Kraftwirkung
von der Formgebung der überlaufnase abhän-gig. Diese Kraftwirkung kann genau
durch Modellversuche ermittelt werden. Versuche haben ergeben, daß der Ausstellwinkel
der überfallnase mit entscheidend für den durchschnittlichen Anstieg der Belastunaskurve
für die Nase, ist. Diese Kurve verläuft um so stetiger und steiler, je größer
dieser Winkel ist. Es ist daher wesentlich, daß die überlaufnase auch noch bis zur
völlig abgesenkten Stellung des Verschlußse-Mentes gegenüber der Horizontalen merklieh
schräg ansteigt. Durch die besondere Gestaltung einerseits des Schwimmers und andererseits
der Überlaufnase konnte überraschenderweise ohne jede weitere Steuerung und ohne
zusätzliche, bewegte Teile für jeden Oberwasserstand bzw. für jede überfallmenge
eine ganz bestimmte, stabile Gleichgewichtsstellung des Verschlußsegments erreicht
werden, die sich selbsttätig einstellt. Es hat sich dafür als wichtig erwiesen,
daß die mit steigendem Wasserspiegel sich verändernden Kräfte einen stetigen Verlauf
nehmen, da andernfalls die eindeutige Zuordnung von Wasserstand und Verschlußstellung
nicht erreichbar ist.
-
Die im trockenen Zustand und bis zum Erreichen einer vorbestimmten,
durch das Schwimmerübergewicht bedingten Schließstellung wird durch einen festen
Anschlag bestimmt.
-
Die Wirkungsweise des neuen Segmentverschlusses ist wie folgt: Bei
steigender Beckenfüllung tritt der Schwimmer in Funktion, so daß das Schwimmerübergewicht
um die entstehende Auftriebskomponente verringert wird. Sobald die überfallnase
voni Wasserstand berührt wird, kommt außerdem noch eine ebenfalls das Schwimmerübergewicht
vermindernde Auflastkomponente hinzu. Bis zum Erreichen der in der Re-el kurz unterhalb
des Stauzieles liegenden Überlaufkante der Abflußnase ist der Gewichtsausgleich
noch nicht ganz erreicht. Das Wasser beginnt "vie bei einer festen überlaufschwelle
überzulaufen. Bei einem willkürlich festsetzbaren Wasserstand tritt dann der Gewichtsausgleich
ein, d. h., das System wird labil. Steig 't der Wasserstand weiter, so wird
durch den ebenfalls steigenden Auftrieb und die Auflast am Segment der Verschluß
nach unten bewegt und damit der Auftrieb so weit vermindert, daß sich eine stabile
Betriebsstellung einstellt. Bis zum Erreichen des Stauzieles senkt sich der Verschluß
bis zur Endstellung ab, so daß der gesamte vorgegebene Querschnitt für den Wasserabfluß
freigegeben ist. Bei sinkendem Wasserstand spielt sich der gleiche Vorgang umgekehrt
ab. Dabei spielt die hydrodynamische Belastung auf das Segment beim überfallen des
Abflußstrahles - wie oben erläutert wurde -
eine sehr entscheidende
Rolle. Die von ihr ausgehende, nach unten gerichtete Kraftkomponente ist bei der
besonderen Anordnung der überlaufnase um so größer, je mehr Wasser über den
Verschluß abläuft, je tiefer also der Verschluß abgesenkt ist. Das Zusammenspiel
von Auftrieb des Schwimmers und Kraftwirkung aus dem überfallstrahl und den Reibungseinflüssen
ergibt die jeweilige Gleichgewichtslage.
-
Da sich die Neigung der überlaufnase gegenüber der Horizontalen mit
Absenken des Verschlußsegmentes notwendigerweise verkleinert und mit sich verkleinernder
Neigung die Gefahr des Auftretens von Ablöseerscheinungen des überlaufstrahles und
damit verbunden unkontrollierbaren Änderungen der Belastungskurve erhöht, ist die
freie Kante der überlaufnase vorteilhafterweise gegen die überlaufrichtung abgebogen,
wodurch diese Gefahr wirksam gebannt werden konnte.
-
Da das System verhältnismäßig empfindlich gegen Wellen od.
ä. ist, ist es zweckmäßig, in bei selbsttätig wirkenden Wehren bekannterweise
einen oder mehrere Stoßdämpfer vorzusehen.
-
Die Erfindung ist nachfolgend an Hand schematischer Zeichnungen an
einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen Querschnitt,
F i g. 2 eine Draufsicht einer Anlage mit dem neuen, selbsttätigen Segmentverschluß
in Anwendung für ein mittleres Hochwasser-Rückhaltebecken.
-
An dem einenEnde eines aus den beiden doppelarmigen, starren Hebeln
6 bestehenden Hebelsystems sind ein oder mehrere Schwimmer 7 fest
angeordnet. An dem anderen Ende des starren Hebelsystems ist das Verschlußse,-ment
1 mit seiner überlaufnase 2 befestigt. Diese überlaufnase 2 besitzt eine
solche Form und Neigung, daß eine stetige Zunahme der auf das Verschlußsegment
1 wirkenden, vertikal gerichteten, dynamischen Kraftkomponente mit zunehmender
Abflußmenge gewährleistet ist. Wie aus der F i g. 1 ersichtlich, weist die
Nase auch in der völlig abgesenkten Stellung des Verschlußsegments 1
noch
eine merkliche Schräge gegenüber der Horizontalen auf, was gestrichelt dargestellt
ist.
-
C
Das Verschlußsegment 1, die Überlaufnase
2 und der Schwimmer 7 erstrecken sich nahezu über die ganze Breite der Verschlußöffnung.
Das aus den starren, doppelarmigen Hebeln6 bestehende Hebelsystem ist um die Drählager
8 drehbar. Diese Drehlager der Hebel 6 liegen im Oberwasser. Wie aus
der F i g. 1 ersichtlich, ist der Schwimmer 7 aufrecht stehend angeordnet
und in seinem unteren Teil mit einem bei zunehmender Eintauchtiefe größer werdenden
Auftriebsquerschnitt versehen.
-
Die einzelnen Elemente des gesamten Systems sind derart bemessen,
daß im trocknen Zustand ein übergewicht auf der Schwimmerseite besteht, wobei dieses
übergewicht auf der Segmentseite durch einen festen Anschlag (nicht gezeigt) aufgenommen
wird.
-
Die freie Kante der überlaufnase 2 ist zweckmäßig abgewinkelt und
kann zusätzlich mit einem Strahlaufreißer 3 versehen sein.
-
An der festen Stauwand 4 kann in an sich bekannter Weise eine Strahlbelüftung
5 vorgesehen werden.