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Verfahren und Vorrichtung zum Stauen von Ilüssig-
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keitsströmen mit freier Oberfläche Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Stauen von Flüssigkeitsströmen mit freier Oberfläche, wie
Flüssen, Kanälen o.dgl., bei dem der Innenraum eines aus flexiblem Material bestehenden,
quer zum Flüssigkeitsstrom liegenden Wehrkörper mit dem Oberwasser des tlüssigkeitsstromes
kommulliziert und durch Befüllen mit der zu stauenden Flüssigkeit aufgewölbt wir,-wie
es z.B.
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aus der US-PS 3 173 269 bekannt ist.
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Aus der US-PS 3.173 269 ist der Vorschlag bekannt, zum Stauen eines
Flüssigkeitsstromes mit freier Oberfläche diesen durch einen Wehrkanal zu leiten,
an dessen Boden ein aus flexiblem, flüssigkeitsdichten Material bestehender Wehrkörper
befestigt ist, der mittels eines strömungsfähigen Mediums aufwölbbar sein soll.
Aus dieser Druckschrift ist ferner u.a. der Vorschlag bekannt, statt z.B.
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eines Gases die aufzustauende Flüssigkeit selbst - d.h. das Gefälle
dieser Flüssigkeit bzw. das sich daraus ergebende statische Druckgefälle - zum Aufwölben
des Wehrkörpers nutzbar zu machen und hierzu einen Teil des Flüssigkeitsstromes
durch eine horizontale Öffnung
am Boden des Wehrkanals abzuzweigen
und dem Inneren des Wehrkörpers über ein im Wehrkanal-Boden eingebe-ttetes Zuflußrohr
zuzuführen, dessen Länge abhängig ist vom Gefälle des Flüssigkeitsstromes, da das
Aufwölben des Wehrkörpers ein statisches Druckgefälle von bestimmter Höhe voraussetzt,
die u.a. abhängt vom Aufbau des Wehrkörpers und der Menge der zu stauenden Flüssigkeit.
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Flüssigkeitsströme mit freier Oberfläche, wie Flüsse, Kanäle o.dgl.
entsprechend diesem aus der US-PS 3 173 269 bekannten Vorschlag zu stauen, ist also
nur möglich, wenn sie ein bestimmtes, vom Aufbau des Wehrkörpers und von der zu
stauenden Flüssigkeitsmenge abhängiges Fließgefälle aufweisen. Flüssigkeitsströme
nach diesem Vorschlag zu stauen, ist darüber hinaus wegen der im Wehrkanal-Boden
zu verlegenden, relativ langen Rohrleitung auch vom Aufbau her und wegen der notwendigen
Überwachung der Funktionsfähigkeit dieser Leitung auch personell relativ aufwendig
und risikoreich. Letzteres ergibt sich schon daraus, daß der aus der US-PS 3 173
269 bekannte Wehrkörper seine Aufgabe nur erfüllen kann, wenn und so lange in seinem
Inneren zu seiner stabilen Aufwölbung ein hoher konstanter überdruck herrscht -
schon geringfügige Verletzungen seiner IIaut führen zu unvermeidbaren Druckverlusten,
die seine Funktionsfähigkeit mindern und soweit führen können, daß er seine Aufgabe
nicht mehr erfüllen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die ein sowohl apparativ als auch personell
wenig aufwendiges Stauen von Flüssigkeitsströmen mit freier Oberfläche auch dann
gestatten, wenn diese nur ein geringes Fließgefälle aufweisen sollten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs
erwähnten Art gelöst, bei dem der Aufwölbungsgrad des Wehrkörpers in Abhängigkeit
von den wechselnden Strömungsverhältnissen des Oberwassers gesteuert wird, und bei
dem sowohl die statische als auch die kinetische Energie des Flüssigkeitsstromes
zur Aufwölbung des Wehrkörpers verwendet wird, indem die Eintrittsöffnung für die
Flüssigkeit in den Wehrkörper mindestens
teilweise der Strömungsrichtung
des Flüssigkeitsstromes entgegengerichtet ist, denn bei diesem Verfahren entfällt
die Notwendigkeit, einen relativ langen Wehrkanal,und in dessen Boden eine von Verstopfungen
frei zu haltende Einlaßöffnung vorzusehen, und die in diese Einlaßöffnung eintretende
Flüssigkeit über ein langes, im Wehrkanal-Boden einzubettendes Rohr dem Inneren
des Wehrkörpers zuzuführen.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird der Wehrkörper bei der Stauung
vorzugsweise kontinuierlich vom Oberwasser zum Unterwasser durchströmt, wobei die
pro Zeiteinheit durch den Wehrkörper strömende Flüssigkeitsmenge vorzugsweise durch
Veränderung des öffnungsquerschnittes von Ein- und/oder Auslaßöffnungen eingestellt
wird, worauf in der nachfolgenden Beschreibung noch gesondert eingegangen werden
wird.
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Der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient vorzugsweise
eine Vorrichtung mit einem Wehrkanal und einem an dessen Boden oberwasserseitig
verankerten Wehrkörper aus flexiblem, flüssigkeitsdichten Material,dessen Inneres
über mindestens ein Zulaufrohr bzw. eine Zuleitung mit dem Oberwasser verbindbar
urd der durch Befüllen mit Oberwasser aufwölbbar ist, bei der die Einlaßöffnung
des Zuflußrohres für das Oberwasser mindestens teilweise der Strömungsrichtung des
Flüssigkeitsstromes entgegengerichtet ist. Die Einlaßöffnung des Zuflußrohres ist
dabei vorzugsweise in Durchflußrichtung gesehen kurz vor dem Wehrkörper angeordnet,
was einen kompakten Vorrichtungsaufbau zur Folge hat und es ermöglicht, die Vorrichtung
einstückig auszubilden oder aber aus relativ kleinen, leicht transportierbaren Fertigteilen
herzustellen.
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Die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens kann dadurch erhöht und die Notwendigkeit ihrer Wartung gemindert werden,
daß die Einlaßöffnung des Zuflußrohres oberhalb des Bodens des Flüssigkeitsstromes,
vorzugsweise in einer Höhe von 5 bis 20cm oberhalb des Bodens des Flüssigkeitsstromes
angeordnet ist, so daß über den Wehrkanal-Boden mitgeführte Schmutzpartikel, Steinchen
usw. nicht in die Einlaßöffnung des Zuflußrohres gelangen und ciort Verstopfungen
hervorrufen können.
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Der Wehrkörper der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist vorzugsweise eine im wesentlichen rechteckige, aus zugfestem Material
bestehende Membran, deren beide quer zur Strömungsrichtung verlaufenden Ränder im
wesentlichen flüssigkeitsdicht am Kanalboden so befestigt sind, daß die Membran
eine seitlich offene Schlaufe bildet, die seitlich von den Kanal-Seitenwänden im
wesentlichen verschlossen ist. Ein so ausgebildeter Wehrkörper kann auch dann die
ihm zugedachte Aufgabe erfüllen, wenn seine Haut kleine, Wasseraustritte ermöglichende
Verletzungen aufweisen sollte, denn die kinetische Energie des durch das Zuflußrohr
nachströmenden Wassers reicht aus, hierdurch bedingte Druckverluste im Wehrkörperinneren
auszugleichen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens mündet das Zuflußrohr im Wehrkörper im Bereich
dessen unterwasserseitigen Endes. Die Einlaßöffnung ist dabei vorzugsweise in einem
Abstand vom oberwasserseitigen Ende des Wehrkörpers angeordnet, der kleiner ist
als 500% der in Strömungsrichtung gemessenen Länge des Wehrkörpers und vorzugsweise
5 bis 100% dieser Länge beträgt. Die Einlaßöffnung ist dabei vorzugsweise in einem
Abstand vom oberwasserseitigen Ende des Wehrkörpers angeordnet, der 10% der in Strömungsrichtung
gemessenen Länge des Wehrkörpers beträgt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtüng zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Zuflußrohr vorgesehen, das eine Einlaßöffnung
aufweist. Um einen möglichst gleichmäßigen Flüssigkeitszufluß zu ermöglichen, ist
es jedoch auch möglich, mehrere solcher Zuflußrohre vorzusehen oder aber auch ein
oder mehrere Zuflußrohre, die jeweils mehrere Einlaßöffnungen aufweisen, die neben
und/oder hintereinander und/oder übereinander angeordnet sind.
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Bei der vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind die beiden Querränder der Membran in Strömungsrichtung gesehen,vorzugsweise
in einen Abstand hintereinander am Kanalboden befestigt, der kleiner ist, als die
Länge der Membran, die vorzugsweise das 1,4 bis 3-fache, vorzugsweise das l -fache
des
Abstandes zwischen den Querrand-Befestigungen beträgt.
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Um eine überlastung der Membran zu vermeiden, weist der Schlaufen-Innenraum
vorzugsweise ein überdruckventil auf. Daneben oder stattdessen kann der Einlaßöffnung
bzw. den Einlaßöffnungen ein Schwimmer zugeordnet sein, durch den diese Öffnung
bzw. diese öffnungen bei überdruck im Schlaufen-Innenraum verschließbar ist.
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Um einen unnötig raschen Verschleiß der Membran zu vermeiden, weisen
die Kanal-Seitenwände der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens eine glatte, vorzugsweise eine reibungsarme Oberfläche auf.
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Die Länge der Membran der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorzugsweise
so gehalten, daß der Wehrkörper auf eine liöhe von maximal 10m, vorzugsweise auf
eine höhe zwischen ca. 0,5 und 3m aufwölbbar ist.
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Die Auslaßöffnung des Zuflußrohres ist vorzugsweise im Kanalboden
vorgesehen. Insbesondere bei geringem oder fehlendem Abstand zwischen den Querrändern
der Membran ist diese Auslaßöffnung jedoch vorzugsweise in einer der Kanal-Seitenwände
vorgesehen.
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In beiden Fällen ist es möglich, über eine Verlängerung des Zuflußrohres
eine direkte Verbindung zwischen dem Oberwasser- und dem Unterwasserbereich herzustellen,
wenn dies z.B. zur Vermeidung von Membran-Zerstörungen bei llochwasser erforderlich
sein sollte, worauf in der nachfolgenden Beschreibung noch gesondert eingegangen
werden wird.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen
und der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung. In der Zeichnung
zeigen jeweils schematisch:
Fiy. 1 eine teilweise geschnittene
perspektivische Ansicht einer Stauvorrichtung gem.iß i-;rfindung, Fig. 2 einen Längsschnitt
durch eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stauvorrichtunq und Fig.
3 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung.
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Die erfindungsgemäße Stauvorrichtung 1 weist einen Wehrkanal auf,
der im wesentlichen aus drei Teilen, zwei Seitenwänden 2 und einer Bodenplatte 3,
besteht, die jedoch auch einstückig ausgebildet sein können. ei der in den Fig.
2 und 3 dargestellten Ausführungsform schließen die beiden Seitenplatten 2 mit der
Bodenplatte 3 jeweils Winkel von 900 ein. Dies ist bei der in Fig. 1 dargestellten
Ausführungsform nur bereichsweise der Fall, denn bei dieser Ausführungsform sind
Seitenwand-Vorsprünge 4 vorgesehen, deren kanalseitige, im wesentlichen rechteckige
Begrenzungsflächen 5 senkrecht zur Bodenplatte 3 verlaufen, während die übrigen
Seitenwandbereichc mit der Bodenplatte 3 jeweils Winkel von mehr als 90° einschließen.
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Zwischen den Seitenwänden 2 bzw. den Begrenzunqsflächen 5 der Seitenwand-Vorsprünge
4 ist in dem - jeweils links dargestellten -oberwasserseitigen Bereich tler erfindungsgemäße
Wehrkörper verankert. Dieser Wehrkörper besteht aus einer im wesentlichen rechteckigen
Membran 6,aus einem zugfesten kunststoffbeschichteten technischen Gewebe ,deren
beide quer zur Strömungsrichtung A verlaufenden Ränder im wesentlichen flüssigkeitsdicht
am Kanalboden,d.h.an der Oberseite der Bodenplatte 3 mittels Klemmschienen 7,8 so
befestigt sind, daß die Membran eine seitlich offene Schlaufe bildet, die seitlich
von den Kanal-Seitenwänden 2 bzw. den seitlichen Begrenzungsflächen 5 der Seitenwand-Vorsprünge
4 im wesentlichen verschlossen ist. Das Inncre der Membran-Schlaufe steht mit dem
Oberwasser 9 über ein Zuflußrohr 10 in Verhindung, das in die Bodenplatte 3 eingebettet
ist. Das oberwasserseitie lande dieses
Zuflußrohres 10 weist einen
in das Oberwasser 9 ragenden Krümmer auf, dessen Einlaßöffnung 11 oberhalb des Bodens
des Flüssiakeitsstromes und in Durchflußrichtung gesehen kurz vor dem zVehrkörper
angeordnet ist. Das zum Unterwasser 12 weisende winde des Zulaufrohres 10 ist ebenfalls
nach ohen gebogen und mündet r Inneren des Wehrkörpers im Bereich dessen Ünterwasserseitiqen
indes, d.h.
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dort in Durchflußrichtung A gesehen kurz vor der zweiten Klemmschiene
8.
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Durch die der Strömungsrichtung A des Flüssigkeitsstromes entgegengerichtete,
cberhalb des Bodens des Flüssigkeitsstromes angeordnete Einlaßöffnung 11 des Zuflußrohres
10 strömt, so baM ein ihr, in der Zeichnung nicht dargestelltes, Ventil geöffnet
wird, ein Teil des Flüssigkeitsstromes, mit der Folge, daß dieser über das Zuflußrohr
10 in das Innere der Membran-Scliufe gelangt und dies wiederum mit der Folge, daß
diese aufgewölbt wird und sich dem übrigen Flüssigkeitsstrom als überströmbarer
Staukörper entgegenstellt. Ein Teil der in das membran-Schlaufen-Innere strömenden
Flüssigkeit strömt durch den von den Membran-Seitenrändern und den Seitenwänden
2 bzw. den seitlichen Begrenzungsflächen 5 der Seitenwand-Vorsprünge 4 begrenzten
Spalt zum Unterwasser 12, wird jedoch - ohne Druckverlust - von der Flüssigkeit
ersetzt, die durch das Zuflußrohr bzw. die Zuflußleitung 10 nacströmt, so daß sich
der durch den vorgenannten Spalt bedingte Flüssigkeitsaustritt nicht nachteilig
auf die Auswölbung und damit auf die Stauwirkung der Membran 6 auswirkt, diese vielmehr
die Möglichkeit erhält, sich ändernden Verhältnissen im Oberwasser 9 selbsttätiq
anzupassen.
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Um Erosionen der Flußsohle unterhalb des Wehres zu verhindern, ist
bei den dargestellten Ausführungsformen der erfindungsgemtißen Stauvorrichtung in
der Bodenplatte 3 jeweils ein, dem Wehrkörper unterwasserseitig benachbartes Tosbecken
13 vorgesehen.
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Die Membran 6 bleibt aufgewölbt und behält ihre Stauwirkung so lange,
solange das vorerwähnte, in der Zeichnung nicht dargestellte Ventil in der Zuflußleitung
10 geöffnet bleibt. Wird dieses Ventil geschlossen, dann wird die Membran-Schlaufe
unter dem Druck des Oberwassers 9 langsam zur Unterwasserseite umgele<jt, wobei
die
in ihrem Inneren befindlich Flüssigkeit langsam durch den vorerwähnten einseitig
von den Membran-Seitenrändern begrenzten Spalt an den seitlichen Begrenzungsfläcllen
2 bzw.5 entweicht.
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Die Membran-Schlaufe weist ein unterwasserseitig angeordnetes Überdruckventil
14 auf, das sich selbsttätig öffnet, so bald sich im Membran-Schlaufen-Innenraum
ein solcher Druck aufgebaut hat, der eine Beschädigung der Membran 6 zur Folge haben
kç5nnte.
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Das Zuflußrohr 10 kann einen in das Tosbecken 13 ragenden Ansatzstutzen
15 aufweisen (vgl.Fiq.2), dem ein Ventil 16 zugeordnet ist, welches manuell betätigbar
oder auch als selbsttätiges Uberdruckventil ausgebildet sein kann. Durch Bet-itiqung
dieses Ventiles ist es - zur Vermeidung von Überdruck im Membran-Schlaufen-Inneren
und zur Reinigung des Rohres - möglich, eine direkte Verbindung zwischen dem Oberwasser
9 und dem Unterwasser 12 herzustellen. Zur Vermeidung von Membran-Zerstc'jrunqen,
die durch überdruck im Melnbran-Sclllaufen-Inrlenraum auftreten könnten, kann der
Linlaßöffnung 11 des Zuflußrohres 10 auch ein - in der Zeichnung nicht dargestellter
- Schwimmer zuweordllet sein, durch den diese Einlaßöffnung bei Überdruck in Schlaufen-Innenraum
verschlielbar ist.
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Statt eines in der Bodenplatte 3 eingebetteten Zuflußrohres 10 - oder
zusätzlich zu einem so angeordneten Zuflußrohr - kann auch ein in der einen und/oder
der anderen Seitenwand 2 bzw. in dem einen und/oder dem anderen Seitenwand-Vorsprung
4 eingebettetes Zuflußrohr 17 vorgesehen sein (vgl.Fig.3), dessen Ausflußöffnung
dann seitlich in den Schlaufen-Innenraum weist.
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Die Membran 6 des erfindungsgemäßen Wehrkörpers besteht aus einem
flexiblen, flüssigkeitsdichten Material, vorzugsweise einem beiderseits Init Kunststoff
beschichteten Gewebe, das zur Vermeidung von Membran-Aufwölbungen, die eine Vergrößerung
der seitlichen Fltissigkeitsaustrittsspalte zur Folge haben konnten, mit Zugverstrehungen
fest
ausgebildet ist und ggf. zusätzlich mit Querverstrebungen versehen sein kann.
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Als besondere Vorteile der erfindungsgemäßen Stauvorrichtung wären
hervorzuheben- daß sie keinen Antrieb, keine Pumpenmotore o.dgl. vorraussetzt, vielmehr
weitgehend selbsttätig arbeitet, daß sie auch bei geringem Flüssigkeitsgefälle funktionsfähig
ist, da sie nicht nur die statische sondern auch die kinetische Energie der zu stauenden
Flüssigkeiten zur Wehrkörper-Aufwölbung benutzt, daß sie gewünschtenfalls (z.B.
bei Hochwasser, Eisgang, o.dgl.) völlig selbsttätig ihre Staufunktion verlieren
kann und daß sie, da sie unsichtbar unter der Wasseroberfläche montierbar ist, ohne
Beeinträchtigung des Landschaftsbildes eingesetzt werden kann, was die Erhaltung
der Natur z.B. in Landschaftsschutzgebieten begünstigt, ohne daß dort auf den Vorteil
einer Flußstauhaltung verzichtet werden müßte.
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Bei den in der US-PS 3 173 269 beschriebenen Wehreinrichtungen handelt
es sich demgegenüber nicht um derart dynamische Einrichtungen wie beim erfindungsgemäßen
Wehr, sondern mehr um geschlossene Systeme, weil dort ein bestimmter statischer
Druck aufrecht erhalten wird, der von den Verhältnissen vor dem Wehr unabhängig
ist. Selbst dann, wenn das zum Aufwölben des Wehrkörpers benötigte Wasser flußaufwärts
entnommen wird, und zwar in einer Entfernung, die zur Erzeugung des notwendigen
statischen Druckes ausreicht, können Druck-und Strömungsverhältnisse unmittelbar
vor dem Wehr nicht berücksichtigt werden. Trocknet z.B. der Kanal aus, dann bleibt
der Wehrkörper immer noch bis zu der Höhe gefüllt, die der Steigung des Zufuhrrohres
entspricht. Erfindungsgemäß wird demgegenüber zusätzlich noch die kinetische Energie
der strömenden Flüssigkeit zur Wehrkörper-Aufwölbung ausgenutzt. Dadurch ist es
nicht erforderlich, besondere Einrichtungen zur Erzeugung des Innendrucks im Wehrkörper
zu schaffen, vielmehr kann das Wasser unmittelbar vor dem Wehrkörper dem Flüssigkeitsstrom
selbst entnommen und dem Inneren des Wehrkörpers zugeführt werden. Dadurch ist es
möglich, die Aufwölbung des Wehrkörpers in Abhängigkeit der Druck- und Strömungsverhältnisse
unmittelbar vor dem Wehr anzupassen, was selbstständig erfolgen kann. Auch wenn
die kinetische Energie im Verhältnis zur
statischen Energie verhältnismäßig
klein ist, reicht die Gesamtenergie überraschender Weise völlig aus, den Wehrkörper
aufzuwölben und so den Flüssigkeitsstrom zu stauen. Dadurch daß die Membran-Schlaufe
nicht völlig geschlossen ist, kann genügend Wasser beim Nachlassen der Gesamtenergie
seitlich entweichen, so daß der Wehrkörper bei sinkendem Oberwasser entsprechend
an Höhe verliert.
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Zusätzlich wird durch die ständige Durchströmung des Wehrs eine Stabilisierung
des Systems erreicht. Außerdem wird der Wehrkörper im Betrieb vorzugsweise ständig
überströmt.
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Dadurch, daß die Membran-Schlaufe bei der bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Stauvorrichtung seitlich offen ist, kann eine tragflügelartige
Aufwölbung der Membran erfolgen ohne Störung durch seitliche Begrenzungsflächen.
Unter "Schlaufe" wird dabei eine solche Befestigung der Membran am Kanalboden verstanden,
die eine Aufwölbung der Membran zwischen den Befestigungsstellen ermöglicht. Wenn
dabei die Länge der Membran das w -fache des Ab-2 standes der Befestigungsstelle
der Membran entspricht (Halbkreis), ergibt sich beim Uberströmen ein besonders günstiges
Wehrkörper-Profil, das in etwa dem Tragflll"gelprofil von Flugkörpern entspricht.
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Ein besonders schnelles und problemfreies Aufwölben der Membran-Schlaufe
wird dadurch erzielt, daß die Auslaßöffnung der Zuflußleitung 10,17 möglichst nihe
am unterwasserseitigen Ende der Membran-Schlaufe angeordnet ist, so daß sich der
Wehrkörper zunächst in diesem Bereich aufbaut. Wird das Oberwasser durch die Seitenwände
dem Membran-Inneren zugeführt, so können an den Seitenwänden Verlängerungsleitungen
vorgesehen sein, die unter die Membranoberfläche ragen, um zu verhindern, daß beim
erstmaligen lüllen die Membran 6 überspült wird.
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Die Zuflußleitung 10, 17 ist vorzugsweise so ausgebildet, daß ihre
Auslenkungen aus der Strömungsrichtung möglichst gering sind, um Druckverluste zu
vermeiden. Rechtwinklige Umlenkungen werden dabei auch zur Vermeidung von Wirbelbildungen
vorzugsweise vermieden.
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Der erfindungsgemäße Wehrkörper kann beliebig breit sein, ohne daß
die Gefahr bestehen würde, daß die auftretenden Längskräfte nicht mehr vom Gewebe
seiner Membran aufgenommen werden. Die bevorzugte Wehrbreite liegt jedoch zwischen
0,5 und 10m.