Sicherheit der Stauanlagen. Basisdokument zu den Unterstellungskriterien (Version 1.0) und Anhang 1

Sicherheit der Stauanlagen

Basisdokument zu den Unterstellungskriterien

Berichte des BWG, Serie Wasser – Rapports de l’OFEG, série Eaux - Rapporti dell’UFAG, serie Acqua Biel, 2002

Version 1.0 (Juni 2002)

Seite 2 von 25 Bundesamt für Wasser und Geologie Version 1.0 (Juni 2002) Basisdokumentation zu den Unterstellungskriterien

MITGLIEDER DER ARBEITSGRUPPE

Bischof, Roland Ingenieurbüro für bauliche Anlagen der Stadt Zürich (IBA), Zürich Hauenstein, Walter Dr. Schweizerischer Wasserwirtschaftsverband, Baden Kalt, Leo Baudepartement des Kantons St. Gallen, Fachstelle Talsperrensicherheit, Tiefbau- und Strassenverwaltung, St. Gallen Müller, Rudolf W. (Sekretär) Bundesamt für Wasser und Geologie, Biel Pougatsch, Henri (Präsident) Office fédéral des eaux et de la géologie, Bienne Raboud, Pierre-Benoît Dr. Département de la santé, des affaires sociales et de l’énergie, Service des forces hydrauliques, DSSE – SFH, Sion Vetterli, Willy Baudirektion Kanton Zürich, Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft (AWEL), Zürich

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1.1 Definition der Stauanlage

Anlagen, welche der Stauanlagenverordnung unterstellt werden Eine Stauanlage besteht aus einem Absperrbauwerk (Talsperre) und dem dahinterliegenden Stauraum (bzw. Speicher oder Staubecken).

Stauraum (bzw. Speicher oder Staubecken)

Absperrbauwerk (bzw. Talsperre)

Figur 2: Schematische Darstellung einer Stauanlage

Gemäss Artikel 2, Absatz 1 der StAV sind Stauanlagen Einrichtungen zum Aufstau oder zur Speicherung von Wasser oder Schlamm. Unter Schlamm wird dabei eine Mischung von Wasser und Feinmaterial verstanden. Der Hauptnutzungszweck von Stauanlagen zur Wasserspeicherung kann in der Energieerzeugung, Wasserversorgung, Bewässerung, künstlichen Beschneiung, Fischzucht, Löschreserve oder Seeregulierung bestehen. Stauanlagen können aber auch anderen Nutzungen dienen als Biotop, Relikt einer vergangenen Anlage oder zur Ausübung von Freizeitaktivitäten. Stauanlagen können auch Nebennutzungen haben, wie z.B. die Schifffahrt, Fischerei, Baden etc. Die Talsperre kann auch als Träger einer Verkehrsverbindung dienen oder ein Leitungstrassee aufnehmen. Eine besondere Art von Stauanlagen bilden die Schutzbauwerke, sofern sie Wasser, Geschiebe oder Schlamm vorübergehend oder dauernd aufstauen können. Es handelt sich dabei um Hochwasserrückhaltebecken, Lawinenauffangdämme, Sediment- und Geschiebesperren. Eine Stauanlage kann auch mehrere solcher Nutzungen haben.

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Anlagen, welche nicht unter den Begriff der Stauanlagen fallen Schwellen, welche der Stabilisierung von Wildbachgerinnen dienen, sowie Längsdämme, die zum Hochwasserschutz angeordnet sind, werden nicht als Stauanlagen betrachtet. Diese Bauwerke fallen in die Kompetenz der Kantone im Rahmen des Bundesgesetzes betreffend den Wasserbau. Wasserreservoirs aus armiertem Beton und Schwimmbecken sind ebenfalls nicht als Stauanlagen anzusehen.

Typen von Absperrbauwerken (Talsperren) · Betonmauern (Gewichtsmauer, Bogenmauer, Pfeilermauer, Mehrfachbogenmauer) · Schüttdämme (Erddamm, Steindamm) · Wehre und ihre Seitendämme Seitendämme bilden integrierende Bestandteile einer Flussstauhaltung, die durch ein Wehr erzeugt wird. Die Seitendämme grenzen den unter Dauerstau stehenden Stauraum gegen das umliegende, tiefer liegende Gelände ab. Wehr und Seitendämme sind als zusammengehörendes Ganzes zu betrachten (Figur 3).

Figur 3: Schematische Darstellung eines Wehrs und seiner zugehörigen Anlagenteile. Legende: À Wehrbereich, Á Zentrale, Â Seitendamm.

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Standort von Stauanlagen Es werden für den Standort von Stauanlagen folgende Fälle unterschieden: · Anlagen im Fliessgewässer (inklusive Wehre) – Anlagen im Hauptschluss · Anlagen ausserhalb des Fliessgewässers (künstliche Becken im natürlichen Terrain) – Anlagen im Nebenschluss · Anlagen, die den Wasserspiegel eines natürlichen Sees anheben.

Stauraum (bzw. Speicher, Staubecken) Der Stauraum (bzw. der Speicher oder das Staubecken) ist ein künstlich angelegtes Becken, in welchem ein grosses Volumen von Wasser, Geschiebe oder Schlamm gespeichert werden kann. Im Stauraum können sich aber auch Eis und Schnee ansammeln. Die Beckenbewirtschaftung kann zu Variationen des Wasserspiegels führen. Bezüglich der Unterstellungskriterien ist das Stauziel (normaler Betriebsspiegel) ein Hauptparameter. Die Länge und die Oberfläche des Stauraums werden auf dem Niveau des Stauziels festgelegt. Der Endpunkt des Stauraums (an der Stauwurzel) befindet sich dort, wo der Hauptzufluss in das Staubecken eintrifft. Bei Wehren endet der Stauraum dort, wo die Staukurve mit dem Niveau des Q347 im Zuflussgewässer zusammenfällt. Das totale Stauvolumen bestimmt sich zwischen Gewässersohle (Beckenboden) und Stauzielniveau. Wie später gezeigt wird, entspricht das massgebende Volumen für die Unterstellung nicht zwingend dem Totalvolumen.

1.2 Die massgebende Höhe für die Unterstellung (Stauhöhe)

Definition der massgebenden Höhe für die Unterstellung (Stauhöhe) Die für die Unterstellung einer Stauanlage unter die Stauanlagenverordnung massgebende Höhe entspricht der Differenz zwischen dem Stauziel und einem unteren Referenzpunkt, der gemäss Artikel 1, Absatz 1, StAV, dem Niveau des Niederwassers oder der umliegenden Geländehöhe entspricht.1 Wichtiger Hinweis: Die für die Unterstellung unter die Stauanlagenverordnung massgebende Höhe entspricht nicht der Höhe der Talsperre.

Diese Höhe lässt sich vergleichen mit der im Falle eines plötzlichen Bruches des Absperrbauwerkes bei Normalbetrieb austretenden Abflusshöhe.

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Stauziel Bei Stauanlagen mit Überlauf mit fester Schwelle liegt das Stauziel auf dem Niveau der Überfallkante. Bei Stauanlagen, bei denen die Entlastungswassermengen vollständig oder teilweise mit beweglichen Abschlussorganen abgeleitet werden, entspricht das Stauziel dem höchsten Wasserspiegel bei Normalbetrieb (Figur 4). Im Allgemeinen wird eine Wasserspiegelerhöhung infolge Hochwassers nicht berücksichtigt. Die Stauzielkote ist oft auch in der Konzession festgelegt.

Stauziel Stauziel

Überlauf mit fester Schwelle Kontrollierter Überlauf mit Abschlussorgan

Figur 4: Mögliche Lage des Stauziels.

Bei den Hochwasserrückhaltebecken entspricht das Stauziel dem Niveau der Schwelle der Hochwasserentlastung. Für Geschiebesperren und Geschiebesammler muss die obere Begrenzung der Materialablagerung bestimmt werden. Das Stauziel in diesen Fällen entspricht, je nach Sperrentyp (Betonmauern bzw. Schüttdämme mit oder ohne Durchlassöffnung über die ganze Sperrenhöhe), dem Niveau der Überfallkante (bei einer Betonmauer mit oder ohne Dolen) oder der oberen Begrenzung einer Schlitzöffnung. Im Falle, wo dieser Schlitz mit Rechen oder Holzbalken ausgerüstet ist, wird aus Gründen der Verstopfungsmöglichkeit die obere Kante dieser Elemente als massgebend betrachtet (Figur 5). Dies gilt sinngemäss auch für Lawinenauffangdämme.

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Niveau zur Festlegung von Stauvolumen und Stauhöhe

Dammkrone Überlaufschwelle

Figur 5: Lawinenauffangdamm mit oder ohne Vorkehrung zum Auffangen von Geschiebe (zum Beispiel in Form von Murgängen); oben: Längsschnitt durch den Stauraum mit Dammquerschnitt; unten: Längsschnitt durch den Auffangdamm mit Durchlassbauwerk und Überlaufschwelle.

Definition des unteren Referenzpunktes

Unter der Geländehöhe wird das Niveau des natürlichen Terrains wasser- oder luftseitig des Absperrbauwerks verstanden. Diese Definition gilt sowohl für Speicher bzw. Staubecken als auch für Seitendämme von Flussstauhaltungen. Als Niederwasserspiegel wird der Wasserspiegel beim Q347 angenommen. Diese Definition gilt für Wehre von Flussstauhaltungen.

Folgende Fälle werden unterschieden: Stauanlagen im Fliessgewässer (im Hauptschluss): Für das Niveau des Niederwassers ist die Flusssohle unmittelbar am wasserseitigen Fuss des Absperrbauwerks massgebend (Figur 6). Eine allfällige Deponie am luftseitigen Fuss wird nicht in Betracht gezogen. Diese Definition gilt auch für Stauanlagen, welche als Hochwasserrückhaltebecken, Lawinenauffangdämme, Geschiebesperren oder Geschieberückhaltesperren dienen. Bei Wehren wird der Niederwasserspiegel entsprechend dem Q347 des natürlichen Zustands als massgebende Referenz angenommen (Figur 7).

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Stauziel Stauziel

HR HT HR

Geländehöhe

Figur 6: Definition der Stauhöhe HR bei Anlagen in Fliessgewässer, (HT = Talsperrenhöhe)

Stauziel

Niederwasser- HR spiegel Q347

Figur 7: Definition der Stauhöhe HR bei einem Wehr

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Stauanlagen ausserhalb des Fliessgewässers (im Nebenschluss): Je nach Situation entspricht der untere Referenzpunkt (Figur 8): a) der Sohle des Staubeckens, wenn ihr Niveau auf gleicher Höhe wie das luftseitige Gelände liegt, b) der Sohle des Staubeckens, wenn ihr Niveau über demjenigen des luftseitigen Geländes liegt, c) dem Niveau des luftseitigen Geländes, wenn dieses über demjenigen der Beckensohle liegt, d) bei einem Becken, das im Wesentlichen im Aushub erstellt wird, der Sohle des Staubekkens, wenn diese auf Niveau des luftseitigen Geländes oder darüber liegt und eine Erosionsgefährdung des natürlichen Geländes besteht, e) dem Niveau des wasserseitigen natürlichen Geländes, sofern dieser Teil nicht erosionsgefährdet ist (wie bei Felsuntergrund).

Staubecken Damm luftseitiges Vorfluter Gelände

a) HR Niederwasserspiegel

b) HR

HR c)

d) HR

natürliches Gelände (erosionsgefährdet)

HR e)

natürliches Gelände (nicht erosionsgefährdet)

Figur 8: Definition der Stauhöhe HR bei einer Stauanlage ausserhalb des Fliessgewässers (im Nebenschluss)

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Anhebung des Wasserspiegels eines natürlichen Sees Der untere Referenzpunkt liegt auf dem Niveau des natürlichen Sees von der Anhebung des Wasserspiegels (Figur 9).

Stauziel

HR natürlicher See

Figur 9: Definition der Stauhöhe HR bei einer Anhebung des Wasserspiegels eines natürlichen Sees

Stauanlagen mit bedeutenden Sedimentablagerungen: Bei der Festlegung der für die Unterstellung massgebenden Stauhöhe kann eine Sedimentbedeckung im Staubecken berücksichtigt werden, sofern Untersuchungen vorliegen, die eine Konsolidierung der Sedimente belegen. Fehlen solche Untersuchungen, ist die massgebende Stauhöhe ohne Abzug von Auflandungen zu ermitteln.

a) Verlandung mit unkonsolidierten Sedimenten VWasser VR = VWasser + VSedimente VSedimente

b) Verlandung mit konsolidierten Sedimenten VWasser VR = VWasser VSedimente

Figur 10: Definition der Stauhöhe HR und des Stauvolumens VR bei einer Stauanlage mit Sedimentablagerungen. VWasser = Volumen des Wassers über den Sedimentablagerungen, VSedimente = Volumen der Sedimentablagerungen, HR = Stauhöhe.

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1.3 Das massgebende Stauvolumen für die Unterstellung

Definition des massgebenden Stauvolumens für die Unterstellung Das für die Unterstellung massgebende Stauvolumen ist dasjenige, welches im Falle eines plötzlichen, totalen Bruchs der Talsperre bei normal gefüllten See entweichen kann. Es wird ermittelt zwischen dem Stauziel und einem Basisniveau, das dem Niveau des unteren Referenzpunktes für die Stauhöhenbestimmung entspricht. Wichtige Bemerkung: Das für die Unterstellung massgebende Stauvolumen entspricht nicht zwingend dem Nutz- oder dem Totalvolumen.

Verfahren für die Bestimmung des Stauvolumens Stauanlagen im Fliessgewässer (im Hauptschluss): Das Stauvolumen wird ermittelt zwischen dem Stauziel und dem Niveau des unteren Referenzpunktes in der Flusssohle: Bei Wehren wird das Stauvolumen zwischen dem Stauziel und dem Niederwasserspiegel, entsprechend dem Q347 des natürlichen Zustands, ermittelt. Bei Stauanlagen, deren Hauptnutzung darin besteht, Geschiebe und Murgänge aufzufangen, wird für die Ermittlung des Stauvolumens eine Horizontalebene auf der Kote des Stauziels angenommen. Bei kleineren und mittleren Stauanlagen, bei deren ein hohes Risiko besteht, dass die Hochwasserentlastung durch Geschwemmel verstopft werden könnte, ist ein grösseres Volumen als das für die Unterstellung massgebende für eine Flutwellenabschätzung zu berücksichtigen (siehe auch Kapitel 2.3 „Untersuchung der Auswirkungen eines Bruches einer Stauanlage“).

Stauanlagen ausserhalb des Fliessgewässers (im Nebenschluss): Das Stauvolumen wird ermittelt zwischen dem Stauziel und der Sohle des Staubeckens, wenn ihr Niveau auf gleicher Höhe oder über dem des luftseitigen Geländes liegt. Liegt das luftseitige Gelände über dem Niveau der Beckensohle, so wird das Stauvolumen zwischen dem Stauziel und dem Niveau des luftseitigen Geländes ermittelt. Liegt das wasserseitige Gelände über dem Niveau der Beckensohle und besteht im Bruchfall beim Entweichen des Wassers keine Erosionsgefahr bis auf das Niveau der Beckensohle, so wird das Stauvolumen zwischen Stauziel und dem Niveau des Geländes auf der Wasserseite des Absperrbauwerks ermittelt.

Anhebung des Wasserspiegels eines natürlichen Sees: Das Stauvolumen wird ermittelt zwischen dem Stauziel und dem Niveau des natürlichen Sees vor der Anhebung des Wasserspiegels.

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Stauanlagen mit bedeutenden Sedimentablagerungen (Figur 10): Bei der Festlegung des für die Unterstellung massgebenden Stauvolumens kann eine Sedimentbedeckung im Staubecken berücksichtigt werden, sofern Untersuchungen vorliegen, die eine Konsolidierung der Sedimente belegen. Fehlen solche Untersuchungen, ist das Stauvolumen mittels der massgebenden Stauhöhe (gemäss Kapitel 1.2) ohne Abzug von Auflandungen zu ermitteln.

1.4 Spezialfall: verstopfungsanfällige Hochwasserentlastung

Weist eine kleine Stauanlage eine Hochwasserentlastung auf, die verstopfungsanfällig ist (zum Beispiel bei Vorhandensein eines Feinrechens oder einer kleindimensionierten Entlastungsleitung), so werdenStauhöhe und Stauvolumen zwischen Kronenniveau und unterem Referenzpunkt bestimmt. Das heisst, es ist ein bis zur Krone voll gefülltes Staubecken anzunehmen.

2. BEGRIFF DER BESONDEREN GEFAHR

2.1 Allgemeine Definition der besonderen Gefahr

Eine besondere Gefahr ist gegeben, wenn im Fall eines plötzlichen Bruches des Absperrbauwerkes mindestens ein Wohnraum oder Arbeitsraum, ein öffentliches Gebäude, ein öffentlicher Campingplatz oder ein stark benutzter Verkehrsweg betroffen ist.

Die für die Unterstellung entscheidenden Kriterien basieren auf der Wassertiefe sowie dem Produkt aus Wassertiefe und Fliessgeschwindigkeit der Flutwelle und beziehen sich auf die oben erwähnten Objekte (Wohnraum, Arbeitsraum, öffentliches Gebäude, öffentlicher Campingplatz, stark benutzter Verkehrsweg). Zur Festlegung der Schadensauswirkungen von Flutwellen werden die in der Publikation „Berücksichtigung der Hochwassergefahren bei raumwirksamen Tätigkeiten“ des BWW, BRP, BU- WAL 1997, dargestellten Intensitätskriterien (stark, mittel, schwach) berücksichtigt. Des Weiteren wurden die entsprechenden Angaben aus dem Dokument „Downstream Hazard Classification Guidelines, ACER Technical Memorandum No 11“, USBR, Denver, Colorado (December 1988), herangezogen. Es ist hier anzumerken, dass eine Dammbruchflutwelle – im Gegensatz zu einem Hochwasserereignis – ein relativ kurzes Ereignis darstellt, insbesondere wenn es sich dabei um ein kleines Staubecken handelt. Die festgelegten Werte, welche für die Unterstellung massgebend sind, stellen die Grenzwerte dar oberhalb derer eine besondere Gefahr für die betroffenen Objekte besteht. Es ist klar, dass auch unterhalb dieser Grenzwerte Schäden an Bauten nicht ausgeschlossen werden können. Entsprechend der Bedeutung des von der Flutwelle betroffenen Gebietes und der möglichen Folgen kann auch eine Anlage unterstellt werden, welche die gegebenen Grenzwerte nicht erfüllt.

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2.2 Arten von betroffenen Bauten und Örtlichkeiten

Wohnräume 2 Es werden sowohl mehrere Häuser als auch Einzelbauten berücksichtigt (Chalets, Einfamilienhäuser, Wohnblöcke, Bauernhöfe, ...) die dauernd oder zeitweise (Wochenende, monatsweise, saisonal) durch eine oder mehrere Personen bewohnt werden. Arbeitsräume Werkstatt, Büro, bedeutende Freizeitanlage etc. Belegung dauernd oder wenigstens 2 Stunden täglich. Berücksichtigt werden eine Werkstatt, eine einzelne Fabrik oder eine Industriezone (speziell bei umweltschädigenden Risiken: Chemie, Erdöllager, Abwasserreinigung). Hingegen werden Landwirtschaftszonen (Felder, Weiden) nicht berücksichtigt. Öffentliche Bauten Verwaltungsgebäude Schulen Spitäler Campingplatz Öffentliche Campingplätze Stark benutzte Verkehrswege Nationalstrassen Kantonsstrassen Eisenbahnlinien Nicht berücksichtigt werden: Fusswege, Waldwege, Nebenstrassen.

2.3 Untersuchung der Auswirkungen des Bruchs einer Stauanlage

Berechnung der Flutwelle Um festzustellen, ob eine besondere Gefahr vorliegt, ist eine Berechnung der Flutwelle als Folge eines Bruchs der Stauanlage vorzunehmen.

Berechnungsverfahren Die beim Bruch einer Sperre entstehende Flutwelle wird durch die Gleichungen der instationären Flüssigkeitsströmung beschrieben, die von B. De Saint-Venant abgeleitet wurden. Je nach Problemstellung eignen sich Berechnungsverfahren, die von der Handrechnung über eindimensionale Berechnungsprogramme bis zu zweidimensionalen Computerberechnungen führen. Für eine einfache Feststellung des Abflusses an einer bestimmten Stelle unterhalb der Sperre reichen oft die händisch ermittelten Überflutungsgrössen aus.

Es wird unterschieden zwischen festen Bauten und leichteren Konstruktionen wie Baracken oder Holzhäusern.

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Berechnungs- ▪ Berechnung von Hand: Dabei werden mit Hilfe von einfachen Formeln verfahren und Diagrammen der Abfluss an der Sperrstelle sowie dessen Abminderung bis zu den einzelnen interessierenden Stellen talabwärts bestimmt.

Eindimensionale Verfahren: Das Verfahren eignet sich besonders bei langen, klar begrenzten Tälern, wo der Abfluss ein vorgegebene Richtung hat. Das Untersuchungsgebiet wird durch eine Serie von Querschnitten längs der Talachse modelliert. Im Einsatz sind verschiedene in Europa und USA entwickelte Computerprogramme. (Eine Zusammenstellung verschiedener Programme findet sich im ICOLD-Bulletin 111 Dam-Break Flood Analysis, Commission Internationale des Grands Barrages, Paris, 1998.)
Zweidimensionale Verfahren: Dieses Verfahren kann für alle Talformen angewendet werden, insbesondere geeignet ist es jedoch bei flachen Gebieten, wo der Abfluss in verschiedene Richtungen erfolgt. Das Untersuchungsgebiet wird in eine Vielzahl diskreter Elemente unterteilt. Die nummerische Lösung wird durch elementweise Integration eines Systems von Differentialgleichungen in Zeitschritten erhalten. Pro Zelle wird der Abfluss in zwei Richtungen bestimmt. Die räumliche und zeitliche Ausbreitung der Flutwelle kann in beliebig strukturiertem Gelände verfolgt werden. Bruchszenarien Der Bruch erfolgt plötzlich (Momentanbruch)
bei Bogenmauern: vollständiger Bruch der gesamten Mauer
bei Gewichtsmauern: vollständiger Bruch der gesamten Mauer (gegebenenfalls Mehrfaches der Blockbreite)
bei Schüttdämmen: Bresche (meist Trapezform: Basisbreite entsprechend der zweifachen Wassertiefe mit seitlichen Böschungsneigungen von 1:1, wobei die Fläche der Bresche nicht grösser als die des Dammes sein soll)
bei Wehranlagen: Wehr: vollständiger oder partieller Bruch des Wehrs (ohne Zentrale) gemäss konstruktivem Konzept (aufgelöste Tragwerke, Rahmentragwerke) Seitendämme: Bresche (wie bei Schüttdämmen) Anfangs- ▪ In der Regel wird vom voll gefüllten See ausgegangen (Seespiegel auf bedingungen Stauziel).
In gewissen Fällen von kleinen Anlagen, bei denen ein hohes Verstopfungsrisiko der Hochwasserentlastung durch Geschwemmsel besteht, soll das Anfangsniveau des Seestands auf Kronenhöhe angenommen werden. notwendige ▪ Für die einfacheren Berechnungsverfahren werden Daten aus einer Karte

topographische mit Höhenkurven (1 : 25'000 oder genauer, z.B. 1 : 10'000) benötigt. Dar- Unterlagen aus werden die Querprofile für die Berechnung gezeichnet. ▪ Digitales Geländemodell (z.B. DHM25 Basismodell der Landestopographie) besonders beim Einsatz in 2D-Berechnungen. Erforderlichenfalls müssen zusätzliche topographisch erhobene Angaben in das Geländemodell eingegeben werden (z.B. Strassen- und Bahndämme oder weitere Hindernisse sowie Geländekanten).

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Topographie ▪ Einfache Handrechnung und 1D-Verfahren: des Untersu- Talform soll so sein, dass das Abflussgebiet klar definiert ist und durch eichungsgebietes ne Abfolge von Querschnitten festgelegt werden kann. Normalerweise müssen die Querschnitte eine möglichst stetige Form haben und sollten keine Inseln aufweisen. Weite Retentionsräume und seitliche Ausbreitungsmöglichkeiten der Flutwelle (z.B. in einmündende Nebentäler) vermindern die Anwendbarkeit bzw. die Zuverlässigkeit der 1D-Berechnung.

2D-Verfahren: Die Topographie wird durch eine sehr grosse Zahl von Punkten (Koordinaten und Höhe) definiert. Diese werden zu Dreiecken verbunden und bilden so die Terrainoberfläche ab. Damit wird eine sehr gute Modellierung des Geländes erreicht. Die Bearbeitung der topographischen Unterlagen kann unter Umständen aufwendig werden, wenn nicht zuviel „überflüssige“ Topographie mitgeschleppt werden soll, was den Rechenaufwand stark vergrössern kann. Berechnungs- ▪ Einfache Handrechnung und 1D-Verfahren: ergebnisse Das einfache Handrechnungsverfahren erlaubt ohne grossen Aufwand eine rasche Bestimmung der Überflutung an der interessierenden Stelle unterhalb der Stauanlage. Als Berechnungsergebnisse werden die Wassermengen, Geschwindigkeiten und Wassertiefen in den einzelnen Querschnitten erhalten. Dies erlaubt die Bestimmung und Darstellung der (ebenen) Wasserspiegel- und Energielinie in einer Flutwellenkarte.
2D-Verfahren Pro Zelle werden die Wassermengen, Fliessgeschwindigkeiten und Wassertiefen in zwei Richtungen bestimmt. Die räumliche und zeitliche Ausbreitung der Flutwelle kann in beliebig strukturiertem Gelände verfolgt werden. Die Darstellung der Berechnungsergebnisse ist etwas schwieriger als bei den 1D-Verfahren, weil der Wasserspiegel nicht eben ist, sondern von Zelle zu Zelle sehr stark variieren kann. Deshalb ist auch die Energielinie innerhalb eines Talquerschnittes unregelmässig gekrümmt und nicht eben (was auch eher der Wirklichkeit entspricht).

Darstellung der Resultate Die Ergebnisse der Flutwellenberechnung werden in einer Überflutungskarte dargestellt (Figur 11). Die Begrenzung der überfluteten Zone wird grundsätzlich durch die Energielinie definiert (Wassertiefe hw + Energiehöhe v2/2g). Bleibt der Abfluss innerhalb eines Flussbettes, so wird lediglich der benetzte Bereich berücksichtigt.

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1-dimensionale Berechnung: 2-dimensionale Berechnung: Berechnung des Abflusses in einzelnen Quer- Berechnung in einem dichten Raster von Zellen in schnitten (A-A, etc.), die in bestimmten Abstän- Längs- und Querrichtung. Pro Zelle werden die den festgelegt wurden. Als Resultate werden Fliessgeschwindigkeiten in beiden Richtungen und die Wassertiefe hw und die Fliessgeschwindig- die Wassertiefe erhalten Der Wasserspiegel ist in keit v für die Bestimmung der Energielinie aus- einem Querschnitt (z.B. B-B) nicht mehr eben und gewertet. Die Überflutungszone wird durch den die Energielinie bildet keine Gerade, sondern weist Verschnitt der Energielinie mit der Terrainober- eine unregelmässige Krümmung auf. Auf der Überfläche erhalten. Auf der Überflutungskarte wer- flutungskarte werden die Eintreffzeit des Flutwelden die Eintreffzeit der Flutwelle und die maxi- lenkopfes sowie die maximal benetzte Zone und die male Energielinienkote angegeben. grösste Energielinienkote aufgetragen.

See

Talsperre

Überflutungszone

A A Eintreffzeit B B Energielinienkote

Berechnungszellen

A-A v2/2g Energieli- B-B Energieli- Energielinie nienkote nienkote hw

Wasserspiegel

Terrain

Benetzte Zone Benetzte Zone

Ausdehnung der Ausdehnung der Überflutungszone Überflutungszone

Figur 11: Darstellung der Überflutungszone bei eindimensionaler und zweidimensionaler Berechnung

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2.4 Schwellenwerte für das Mass der besonderen Gefahr

Schwellenwert Auswirkungen Unterstellungsregeln Hohe Gefahr Personen sind auch im Inneren Die Stauanlage wird unterstellt, h/2m von Gebäuden gefährdet. wenn wenigstens ein Wohnraum, oder Bauten auf Uferböschungen sind ein Arbeitsraum, ein öffentliches v3h / 2 m /s bei Erosion einsturzgefährdet. Gebäude, ein öffentlicher Cam- Murgänge können durch den An- pingplatz, ein stark benutzter Verprallstoss den Einsturz von Ge- kehrsweg oder eine Bahnlinie bebäuden verursachen. troffen ist. Mittlere Gefahr Personen im Freien und in Fahr- Die Stauanlage wird unterstellt, 2m>h/1m zeugen sind gefährdet. Eine wenn ein Wohnraum (in leichter oder Flucht in obere Stockwerke von Bauweise) ein Arbeitsraum (in 2 2 2 m /s > v3h / 1 m /s Gebäuden ist meistens möglich. leichter Bauweise), ein öffentli- Gebäude können entsprechend cher Campingplatz oder ein stark ihrer Bauweise Schäden erleiden. benutzter Verkehrsweg betroffen ist. Mässige Gefahr Personen sind im Freien und im Die Stauanlage wird unterstellt, 0.5 m £ h < 1 m Inneren von Gebäuden wenig wenn ein öffentlicher Camping- oder gefährdet. Fahrzeuge können platz oder ein stark benutzter 2 2 0.5 m /s £ v3h < 1 m /s weggeschwemmt werden. Verkehrsweg betroffen ist. Geringe Gefahr Personen sind nicht im Gefahr Die Stauanlage wird nicht unterh < 0,5 m weder im Freien noch im Inneren stellt. oder von Gebäuden.

Tabelle 1: Schwellenwerte für das Mass der besonderen Gefahr, basierend auf den Kriterien für die Wirkung von Überflutungen aus Lit. [2]. v = Fliessgeschwindigkeit [m/s], h = Wassertiefe [m], v3h = Intensität der Überflutung [m /s] 2.50

2.00

Wassertiefe h 1.50

mittlere Gefahr hohe Gefahr

1.00 mässige 0.50 geringe Gefahr 0.00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Fliessgeschwindigkeit v Figur 12: Einteilung der Gefährdungsbereiche aufgrund der Intensität der Überflutung

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2.5 In Kaskaden angeordnete Stauanlagen

Bei übereinander liegenden, eine Kaskade bildenden Stauanlagen, werden für jede Anlage einzeln die Folgen eines Bruches analysiert. Insbesondere sind die Auswirkungen einer Flutwelle auf die Unterlieger-Talsperren zu untersuchen, wobei ein allfälliger Dominoeffekt zu berücksichtigen ist.

2.6 Situationen ohne besondere Gefahr

Nachfolgend sind Situationen ohne besondere Gefahr aufgeführt, bei denen auf eine Unterstellung unter die Stauanlagenverordnung verzichtet werden kann. Bei den Situationen a) und b) handelt es sich um eine Ausserbetriebnahme bzw. Aufhebung der Unterstellung. a) Wenn durch die Erstellung einer Bresche verhindert wird, dass sich Wasser, Geschiebe oder Schlamm aufstaut, kann die Anlage ohne Überwachung und speziellen Unterhalt sich selbst überlassen werden. Es ist dabei darauf zu achten, dass die Bresche genügend gross ist, damit eine Verstopfung durch Geschwemmsel und Baumstämme verhindert wird. b) Im Fall von kleinen Stauanlagen kann durch einzelne spezielle Objektschutzmassnahmen erreicht werden, dass im Bruchfall die Flutwelle keinen Wohnraum, keinen Arbeitsplatz, kein öffentliches Gebäude, keinen öffentlichen Campingplatz oder keinen stark benützten Verkehrsweg in unzulässiger Weise erreicht. c) Wird im Bruchfall das Stauvolumen vollständig in einer unterliegenden Stauanlage aufgefangen und trifft die Flutwelle unterwegs auf keine der unter b) erwähnten Objekte, kann von einer Unterstellung abgesehen werden. d) Fliesst die Flutwelle bei Wehren oder kleinen Anlagen vollständig innerhalb des Flussbettes ab, oder hat sie lediglich Ausuferungen im landwirtschaftlich genutzten Gebiet oder in für den Hochwasserschutz vorgegebenen Überschwemmungszonen, ist keine Unterstellung vorzusehen.

Bemerkung: Wegen möglichen Entwicklungen unterhalb von Stauanlagen sind die obigen Punkte von Zeit zu Zeit neu zu beurteilen. Bei späteren Bauvorhaben innerhalb der Überflutungszone einer nicht unterstellten Anlage ist die Situation der besonderen Gefahr zu berücksichtigen.

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3. AUSWAHL DER ZU UNTERSTELLENDEN STAUANLAGEN

3.1 Entscheidende Stelle für die Unterstellung

In jedem Fall ist es Sache der Aufsichtsbehörden von Bund oder Kanton zu entscheiden, ob eine Stauanlage der Stauanlagenverordnung zu unterstellen ist. Gemäss den Regeln des Verwaltungsverfahrens ist die Aufsichtsbehörde ermächtigt vom Werkeigentümer die Unterlagen zu verlangen, die sie benötigt (insbesondere allgemeine Pläne der Anlage, Berechnung der Flutwelle, eine Überflutungskarte mit Angabe von Höhe und Geschwindigkeit an den kritischen Stellen). Sie entscheidet, in welchem Masse ein plötzlicher Bruch der Stauanlage eine besondere Gefahr im Sinne der im Kapitel 2.1 gegebenen Definition für wenigstens einen Wohnraum, einen Arbeitsraum, ein öffentliches Gebäude, einen öffentlichen Campingplatz oder einen stark benutzten Verkehrsweg bedeutet. Die zuständige Aufsichtsbehörde verfügt den betreffenden Entscheid gemäss der geltenden Gesetzgebung von Bund und Kantonen.

3.2 Vorgehen beim Entscheid über eine Unterstellung

Das Vorgehen bei der Entscheidungsfindung über eine Unterstellung einer Stauanlage unter die Stauanlagenverordnung (StAV) und damit unter die Aufsicht einer Behörde ist schematisch in den beiden Figuren 13 und 14 dargestellt. In den Fällen, wo die geometrischen Unterstellungskriterien gemäss Artikel 1, Absatz 1 StAV erfüllt sind, ist es Sache der Inhaberin der Stauanlage der Aufsichtsbehörde direkt die Angaben über die Auswirkungen eines Bruchs der Stauanlage zu liefern. Für kleinere Stauanlagen, welche die geometrischen Unterstellungskriterien nicht erfüllen, führt die Aufsichtsbehörde eine Vorabklärung durch (z.B. aufgrund von vereinfachten Flutwellenberechnungen). Im Bedarfsfalle wird sie zusätzliche Unterlagen und Angaben bei der Stauanlageninhaberin verlangen.

3.3 Aufhebung der Unterstellung

Bei einem Antrag auf Aufhebung der Unterstellung ist es Sache der Inhaberin der Stauanlage, gegenüber der Aufsichtsbehörde den Nachweis zu erbringen, dass die Stauanlage keine besondere Gefahr (oder keine solche mehr) für Personen oder Sachen darstellt. Die Aufsichtsbehörde ist indessen in der Lage zu verlangen, dass Überwachung und Unterhalt der Stauanlage dennoch vorgenommen werden.

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H ³ 10 m bzw . Grössenkriterium

Ist das Grössenenkriterium ja erfüllt? nein

Vorabklärung Abklärung, ob auch ob Gefahrenkriterium Gefahrenkriterium (Schw ellenw erte) (Schw ellenw erte) erfüllt ist erfüllt sein könnte (durch die Inhaberin) (durch die Behörde)

Ist eine nähere Abklärung nein ja nötig? Prüfung und Entscheid (durch Behörde) Detailabklärung mittels Flutw ellenberechnung (durch die Inhaberin) -

Prüfung und Entscheid (durch Behörde) -

Vorgehen gemäss Figur 14

Ist das Gefahrenkriterium (Schw ellenw erte) ja nein erfüllt?

Anlage w ird der Anlage w ird der Stauanlagenverordnung Stauanlagenverordnung nicht unterstellt unterstellt bzw . w ird von der Unterstellung befreit

Figur 13: Vorgehensplan für die Begründung einer Unterstellung unter die Stauanlagenverordnung

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Abklärung durch die Inhaberin, ob das Gefahrenkriterium erfüllt ist

Berechnung der Flutwelle Wahl der Berechnungsmethode entsprechend der Topographie

Randbedingungen festlegen: · Bruchform (aufgrund des Sperrentyps) · Anfangszustand vor dem Bruch

Überflutungskarte erstellen Zustand ohne besondere Gefahr

Ausscheidung der Gefahrenzonen entsprechend den Schwellenwerten

Bezeichnung der betroffenen Objekte Prüfung und Entscheid (Wohnraum, Arbeitsraum, öffentliches durch die Behörde Gebäude, öffentlicher Campingplatz, Verkehrsweg) zurück zu Figur 13

Figur 14: Auszug aus dem Vorgehen bei der Ermittlung der besonderen Gefahr (Ergänzung zu Figur 13)

Bundesamt für Wasser und Geologie Seite 25 von 25 Basisdokumentation zu den Unterstellungskriterien Version 1.0 (Juni 2002)

4. LITERATUR

[1] Verordnung über die Sicherheit der Stauanlagen (Stauanlagenverordnung, StAV) vom 7. Dezember 1998, SR 721.102 [2] Berücksichtigung der Hochwassergefahren bei raumwirksamen Tätigkeiten; Empfehlungen, Bundesamt für Wasserwirtschaft (BWW), Bundesamt für Raumplanung (BRP), Bundesamt für Umwelt, Wald und Landschaft (BUWAL), (1997) [3] Bulletin ICOLD 111 Etude d'onde de rupture de barrages; Dam-Break Flood Analysis, Commission Internationale des Grands Barrages, Paris, (1998) [4] Downstream Hazard Classification Guidelines, ACER Technical Memorandum No 11, US Bureau of Reclamation, Denver , Colorado, December 1988 [5] Appréciation globale des difficultés et des risques entraînés par la construction des barrages, note technique No 5, Centre technique du génie rural des eaux et des forêts (CTGREF), juin 1978 [6] Paquier, A., Calcul simplifié des ondes de rupture de barrages; informations techniques du CEMAGREF, note 1; décembre 1994 [7] Beffa, C., Ein Parameterverfahren zur Bestimmung der flächigen Ausbreitung von Breschenabflüssen ; «wasser, energie, luft – eau, énergie, air» 93. Jg., Heft 3/4, 2000.

5. ANHANG

I. Diagramme zur Bestimmung der flächigen Ausbreitung von Breschenabflüssen (nach [7]) II. Vereinfachtes eindimensionales Verfahren zur Berechnung der Flutwelle infolge Talsperrenbruch (nach [5]). (Steht nicht in elektronischer Form zur Verfügen)

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ANHANG I

DIAGRAMME ZUR BESTIMMUNG DER FLÄCHIGEN AUSBREITUNG VON BRESCHENABFLÜSSEN

1 Problemdefinition

1.1 Ein- und zweidimensionale Flutwellenabflüsse

Nach dem Bruch einer Stauanlage (Staumauer oder Staudamm) fliesst der Speicherinhalt als Flutwelle durch die Bresche ab. Weist das Abflussgebiet eine deutliche Talform auf, so erfolgt die Wellenausbreitung primär eindimensional. Die Abflussmengen, Abflusshöhen und Eintreffzeiten lassen sich mit Abschätzverfahren oder eindimensionaler Modellberechnungen bestimmen.

Bei einer Ausbreitung der Flutwelle auf einer Fläche ist der Abflussvorgang zweidimensional und die Abnahme der Abflussintensität erfolgt schneller als im eindimensionalen Fall. Zur Simulation solcher Flutwellen werden üblicherweise zweidimensionale Abflussmodelle eingesetzt.

Im Falle des Abflusses in eine horizontale Ebene ohne Längs- und Quergefälle breitet sich die Flutwelle näherungsweise radial aus. Massgebende Parameter sind dabei die Stauhöhe, die Breschenbreite, das Speichervolumen und die Rauhigkeit der Oberfläche. Ab einem bestimmten Abstand von der Bresche tritt ein Wechsel von schiessendem zu strömendem Abfluss auf (Wassersprung). Für einen Abfluss auf einer geneigten Fläche kommt als weiterer Parameter das Längsgefälle der Sohle hinzu. Für Gefälle grösser als ca. 0.5% bleibt der Abfluss überkritisch (schiessend) und wird von den hydraulischen Randbedingungen der Überflutungsfläche nicht beeinflusst.

1.2 Parameterverfahren

Vol

B D; (kSt.) H

(x,y)

Abbildung 1: Abfluss aus einer Bresche auf einer geneigten Fläche. Lage der Koordinatenachsen x, y und massgebende Parameter: Stauhöhe H, Breschenbreite B, Sohlengefälle S, Rauhigkeit als mittlerer Korndurchmesser D, Speichervolumen Vol.

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Das hier vorgestellte Parameterverfahren erlaubt auf einfache Weise mit Hilfe von Diagrammen die rasche Abschätzung der Intensität der Überflutung an einem vorgegebenen Standort infolge des Bruchs einer kleineren Stauanlage, wenn die Flutwelle sich zweidimensional auf einer Fläche ausbreitet. Die dabei ermittelten Grössen betreffen die Abnahme von Abflusshöhe und Abflussintensität (Fliessgeschwindigkeit, spezifischer Abfluss, Energiehöhe) in Funktion der Distanz von der Bresche, sowie die flächige Ausbreitung des Abflussstrahls für ebene und geneigte Flächen. Die massgebenden Parameter und die Lage der Koordinatenachsen sind in Abbildung 1 dargestellt.

Für die Berechnung müssen Annahmen über die Bresche gemacht werden. Das Verfahren rechnet mit einer Rechteckbresche mit frei wählbarer Breite B und Höhe H. Als Bruchszenarien und Anfangsbedingungen werden im Allgemeinen dabei angenommen:

Typ der Stauanlage Erddamm Gewichtsmauer Bogenmauer

Bruch Momentanbruch (plötzlicher Bruch in sehr kurzer Zeit)

Wassertiefe in der Stauhöhe bei voll gefülltem See (Seespiegel auf Stauziel, oder bei hohem Bresche H Verstopfungsrisiko der Hochwasserentlastung gegebenenfalls auf Kronenhöhe)

Breschenbreite B B = 2H gesamte Mauer, gesamte Mauer Rechteckbresche gegebenenfalls Mehrfaches der Blockbreite

Abbildung 2: Bruchszenarien und Anfangsbedingungen für die Bresche

Bei der Durchführung des Verfahrens werden, ausgehend von den in Abbildung 1 dargestellten freien Parametern (Stauhöhe H, Breschenbreite B, Sohlengefälle S, Rauhigkeit als mittlerer Korndurchmesser D, Speichervolumen Vol) sowie den Standortkoordinaten (x,y), in einem ersten Schritt einige charakteristische Grössen berechnet. Mit Hilfe der Diagramme werden die für den gesuchten Standort massgebenden dimensionslosen Werte des spezifischen Abflusses (q/Q) und der Fliessgeschwindigkeit (v/V) sowie der lateralen Ausbreitung (Ymax , Yrel) ermittelt und die Beträge des effektiven spezifischen Abflusses q, der effektiven Fliessgeschwindigkeit v, der Abflusshöhe h und der Energiehöhe he berechnet.

Für die Umrechnung des in der Ingenieurpraxis mehrheitlich gebräuchlichen Strickler-k-Wertes in den im Verfahren verwendeten mittleren Korndurchmesser D dient die in Abbildung 3 dargestellte Tabelle. Die Beziehung erfolgt nach der Formel D = {21/kSt}6. kst [m /s] 20 25 30 35 40 45 Abbildung 3: Umrechnung von Strickler- D [m] 1.34 0.35 0.12 0.05 0.02 0.01 k-Werten in mittlere Korndurchmesser D

Zur Beschreibung des Einflusses der Speichergrösse werden zwei Hilfsgrössen definiert: Volmax - dimensionslose Grösse eines Speichers, welcher im Untersuchungsperimeter zu keiner relevanten Reduktion der Abflussintensitäten führt, Xmin - dimensionsloser Abstand von der Bresche, wo ein Speichervolumen kleiner als Volmax zu einer Reduktion der Abflussintensitäten führt.

Bundesamt für Wasser und Geologie Anhang I Seite A3 von A13 Basisdokumentation zu den Unterstellungskriterien Version 1.0 (Juni 2002) Der Multiplikationsfaktor k zur Ermittlung von Xmin hängt vom Sohlengefälle ab und ist in Abbildung 4 aufgeführt. Für Gefälle, welche nicht tabelliert sind, kann linear interpoliert werden. Gefälle 0.25% 2% 4% 8% 16% Koeffizient für spezifischen Abfluss 2.5 2.5 3.0 4.0 5.0 Koeffizient für Fliessgeschwindigkeit 3.0 3.0 3.0 4.0 5.0

Abbildung 4: Multiplikationsfaktoren k zur Ermittlung der Distanz Xmin

2 Grenzen des Verfahrens

Das Parameterverfahren stellt unter folgenden Bedingungen eine zuverlässige Methode dar: · Eine sachlich korrekte Schätzung der freien Parameter ist möglich. · Es herrschen mittlere bis grosse Sohlengefälle (ab ca. 0.5%). · Quergefälle und Variationen im Längsgefälle sind gering.

Bei kleinem Gefälle ist die Wellenausbreitung in Breschennähe primär radial, was die laterale Verteilung der Intensitäten beeinflusst. Die Anwendung des Verfahrens ist jedoch auch für Gefälle <0.5% zulässig, sofern: · die Werte entlang der Strahlachse verwendet werden · oder die Distanz von der Bresche genügend gross ist (X > 20).

Wie weit die verschiedenen Fehlereinflüsse die Genauigkeit der Ergebnisse beeinträchtigen, ist schwierig zu bestimmen und hängt zudem von der Fragestellung ab. Weist die Sensitivitätsanalyse darauf hin, dass die Resultate nicht in der geforderten Genauigkeit bestimmt werden können, so ist der Einsatz eines Simulationsmodelles zu prüfen.

3 Anwendung des Verfahrens

3.1 Einsatzmöglichkeiten

Das Verfahren bietet grundsätzlich zwei Einsatzmöglichkeiten: 1.) Intensitätssuche: Bestimmen der Intensitäten für einen vorgegebenen Standort. 2.) Standortsuche: Bestimmen des Abstandes von der Bresche, ab welchem die Intensitäten einen vorgegebenen Wert erreicht bzw. unterschreitet.

Liegen die gegebenen oder gesuchten Standorte auf der Strahlachse, so wird für die Suche das Diagramm A verwendet. Für Standorte fern der Strahlachse sind auch die Diagramme B und C einzusetzen. Ein iteratives Vorgehen wird dann nötig, wenn die Standortsuche fern der Strahlachse erfolgt.

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3.2 Verwendete Skalierungen (Zusammenstellung)

Bei der Erstellung der Diagramme sind folgende Bezeichnungen und Skalierungen verwendet worden: Parameter Bezeichnung Stauhöhe H Breschenbreite B Sohlengefälle S mittlerer Korndurchmesser D Speichervolumen Vol Abbildung 5: Freie Parameter und ihre Bezeichnung

Charakteristische Grösse Ausdruck Koeffizienten Horizontale Länge L o = BH Distanz von der Sperre Xo = x / Lo Distanz von der Strahlachse Yo = y / Lo Speichergrösse Vol BH Horizontale Distanz für endliche æ çX - X ö ç o min ÷÷n Speichergrösse æ Vol ö-çç ÷ n = 1/5 für spez. Abfluss max X ÷ oç min(Vol , Vol ) ÷ n = 1/7 für è o max ø Fliessgeschwindigkeit Xmin= k Volo mit Faktor k aus Abbildung 4 Distanz von der Sperre für endliche X=x/L Speichergrösse Distanz von der Strahlachse für Y=y/L endliche Speichergrösse Spezifischer Abfluss æ H ö gB

Fliessgeschwindigkeit æ H ö è 30 D ø î 1 / 4 für X ³ 6

Abbildung 6: Gewählte Skalen mit Wertebereichen für die Koeffizienten

Zur Wahl der Skalierung des spezifischen Abflusses: Der Ausdruck { g / 3.13 } nimmt für SI- Einheiten den Wert 1.0 an. Im Breschenbereich gilt zudem q/Q » 1.0. Zur Skalierung der Rauhigkeit: Der Ausdruck {H / (30 D)} entspricht „mittleren“ Reibungsverhältnissen. Bei einer Stauhöhe von H = 5 m würde dies einem Strickler-k-Wert von

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3.3 Illustration anhand eines Beispieles

Die Anwendung des Parameterverfahrens wird nun anhand eines Beispieles gezeigt. Die frei gewählten Parameter des Testbeispiels sind:

Stauhöhe H = 4 m
Breschenbreite B = 8 m
Korndurchmesser D = 0.12 m
Sohlengefälle S = 2%

Gesucht sind die Abflussintensitäten in 100 m Entfernung von der Bresche und 30 m Entfernung von der Strahlachse. Die Anwendung des Parameterverfahrens erfolgt mit Vorteil in folgenden Schritten: 1) Bestimmen der Abflussintensitäten in Strahlmitte für den unendlich grosssen Speicher 2) Berücksichtigung des Speichervolumens, falls Volo < 4000 3) Berücksichtigung der lateralen Ausbreitung

3.3.1 Abflussintensitäten in Strahlmitte für den unendlich grossen Speicher

Längenskala: Lo = 8 ´ 4 = 5.7 m
dimensionsloser Abstand von der Bresche: Xo = 100 / 5.7 = 17.5 æ 4 ö 2
Skala des spez. Abflusses: Q = 8 ´ 4ç ÷ . m /s è 30 ´ 0.12 ø æ 4 ö 4
Skala der Fliessgeschwindigkeit: V = 9.81 ´ 4 ç ÷ = 6.4 m/s è 30 x 0.12 ø
dimensionsloser spez. Abfluss: q / Q (X=17.5; 2%) = 0.08 (aus Diagramm A – a)
dimensionslose Fliessgeschwindigkeit: v / V (X=17.5; 2%) = 0.35 (aus Diagramm A – b)
effektiver spezifischer Abfluss: q = 0.08 ´ 11.4 = 0.90 m2/s
Abflusshöhe: h = 0.9 / 2.25 = 0.40 m
Energiehöhe: he = 0.40 + 2.252 / 19.6 = 0.66 m

3.3.2 Berücksichtigung der Speichergrösse

æ 10¢000 ö

dimensionsloses Speichervolumen: Vol 0 = ç ÷ = 78
dimensionsloser Breschenabstand für den spezifischen Abfluss: Xmin = 2.5 ´ 781/3= 10.7 (mit k = 2.5 aus Abbildung 4) æ 17.5 - 10.7 ö 1 -ç ÷
modifizierte Längenskala für den spez. Abfluss: L = 5.7æç 4000 ö÷ çè 10.7 ÷ è 78 ø

dimensionsloser Abstand von der Bresche: X = 100 / 3.45 = 29
dimensionsloser spez. Abfluss: q / Q (X=29; 2%) = 0.062 (aus Diagramm A – a)
dimensionsloser Breschenabstand für die Fliessgeschwindigkeit: Xmin= 3.0 ´ 781/3= 12.8 (mit k = 3.0 aus Abbildung 4)

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æ 17.5 - 12.8 ö 1 -ç ÷ - modifizierte Längenskala für die Fliessgeschwindigkeit: L = 5.7æç 4000 ö÷ çè 12.8 ÷ è 78 ø

dimensionsloser Abstand von der Bresche: X = 100 / 4.65= 22
dimensionslose Fliessgeschwindigkeit: v / V (X=22; 2%) = 0.33 (aus Diagramm A – b)
effektiver spezifischer Abfluss: q = 0.062 ´ 11.4= 0.70 m2/s
Abflusshöhe: h = 0.70 / 2.1 = 0.35 m
Energiehöhe: he = 0.35+2.12 / 19.6= 0.60 m

3.3.3 Berücksichtigung der lateralen Ausbreitung

dimensionslose Distanz von der Strahlachse Y = 30 / 3.45 = 8.7 (verwendet wird die dimensionslose Länge für den spez. Abfluss)
laterale Ausbreitung aus Diagramm B: Ymax (X=29; 2%) = 20.5 (aus Diagramm B)
Querprofilwerte aus Diagramm C: cq(Yrel=0.42) = 0.66; cv(Yrel=0.42) = 0.84 (aus Diagramm C)
effektiver spezifischer Abfluss: q = 0.70 ´ 0.66 = 0.46 m2/s
Abflusshöhe: h =0.46 / 1.76 = 0.26 m
Energiehöhe: he = 0.26 + 1.762 / 19.6 = 0.42 m

3.4 Programmierung des Verfahrens

Die obigen Ausführungen zeigen, dass die Anwendung des Verfahrens unter Zuhilfenahme eines Taschenrechners keine besonderen Schwierigkeiten bietet. Die Berücksichtigung des Speichervolumens erfordert allerdings relativ viele Zwischenschritte und es können sich leicht Fehler einschleichen. Aufwändig wird das Verfahren, wenn für die Standortsuche ein iteratives Vorgehen nötig wird.

Um die Anwendung zu erleichtern und Fehler möglichst auszuschliessen, ist das Parameterverfahren deshalb auch als Computerprogramm realisiert worden. Die empfohlene Durchführung von mehreren Berechnungsgängen mit veränderten Eingabeparametern im Sinne einer Sensitivitätsanalyse wird damit ohne grossen Aufwand möglich. Auch die Standortsuche wird durch ein Computerprogramm wesentlich erleichtert.

4 Diagramme und Tabellen

· Diagramm A: Längenprofile der maximalen Abflussintensitäten auf der Strahlachse in Funktion des Längsgefälles für den spezifischen Abfluss (a) und die Fliessgeschwindigkeit (b) · Diagramm B: Laterale Ausbreitung des Abflussstrahles für verschiedene Sohlengefälle · Diagramm C: Charakteristische Querprofile der Abflussintensitäten · Tabelle A1: Werte für den dimensionslosen maximalen spezifischen Abfluss (a) · Tabelle A2: Werte für die dimensionslose maximale Fliessgeschwindigkeit (b) · Tabelle B: Werte der lateralen Ausbreitung · Tabelle C: Werte der charakteristischen Querproflle · Tabelle für die Berechnung: Vorgehen bei der Anwendung des 2D-Verfahrens.

Bundesamt für Wasser und Geologie Anhang I Seite A7 von A13 Basisdokumentation zu den Unterstellungskriterien Version 1.0 (Juni 2002) · Diagramm A: Längenprofile der maximalen Abflussintensitäten auf der Strahlachse in Funktion des Längsgefälles für den spezifischen Abfluss und die Fliessgeschwindigkeit

(a) spezifischer Abfluss [-] 1.00

S 0.10 9 16% 7 8% 5 4% 2% 1% 2 0.5%

0.25% 0.01 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 2 3 4 5 6 7 8 9100 Distanz von der Bresche X [-]

(b) Fliessgeschwindigkeit [-]

1.0 8 S 6 16% 8%

2% 1%

0.5% 0.1 9 0.25% 2 3 4 5 6 7 8 9 10 2 3 4 5 6 7 8 9100 Distanz von der Bresche X [-]

Anhang I Seite A8 von A13 Bundesamt für Wasser und Geologie Version 1.0 (Juni 2002) Basisdokumentation zu den Unterstellungskriterien Diagramm B: Laterale Ausbreitung des Abflussstrahles für verschiedene Sohlengefälle S

90 0.25%

0.5%

Y [-] 1%

20 8% 16%

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Distanz von der Bresche X [-]

Diagramm C: Charakteristische Querprofile der Abflussintensitäten 1.0 spezifischer Abfluss

0.9 Fliessgeschwindigkeit

0.8

0.7

0.6

Cq [-], Cv [-] 0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 relative Distanz von der Strahlachse Y/Ymax [-]

Bundesamt für Wasser und Geologie Anhang I Seite A9 von A13 Basisdokumentation zu den Unterstellungskriterien Version 1.0 (Juni 2002)

Tabelle A1: Werte für den dimensionslosen Tabelle A2: Werte für die dimensionslose maximalen spezifischen Abfluss q/Q [-] maximale Fliessgeschwindigkeit v/V [-]

Gefälle [%] Gefälle [%] Distanz 0.25 0.5 1 2 4 8 16 Distanz 0.25 0.5 1 2 4 8 16 1.00 0.798 0.804 0.806 0.817 0.827 0.850 0.884 1.00 1.055 1.060 1.067 1.083 1.109 1.164 1.274 1.20 0.725 0.730 0.733 0.744 0.756 0.782 0.822 1.20 1.078 1.084 1.091 1.109 1.139 1.201 1.324 1.44 0.652 0.657 0.660 0.672 0.685 0.713 0.758 1.44 1.091 1.098 1.106 1.126 1.160 1.230 1.367 1.73 0.577 0.582 0.586 0.597 0.611 0.641 0.690 1.73 1.093 1.100 1.110 1.133 1.172 1.250 1.401 2.07 0.494 0.499 0.502 0.513 0.528 0.558 0.609 2.07 1.083 1.091 1.103 1.129 1.175 1.267 1.445 2.49 0.413 0.417 0.421 0.432 0.446 0.477 0.530 2.49 1.056 1.066 1.080 1.112 1.168 1.283 1.500 2.99 0.344 0.347 0.351 0.361 0.376 0.407 0.460 2.99 1.002 1.013 1.030 1.068 1.135 1.274 1.510 3.58 0.293 0.297 0.301 0.311 0.326 0.357 0.411 3.58 0.928 0.940 0.958 0.998 1.069 1.208 1.470 4.30 0.250 0.253 0.257 0.267 0.282 0.313 0.368 4.30 0.836 0.849 0.868 0.908 0.978 1.110 1.333 5.16 0.208 0.211 0.215 0.225 0.241 0.271 0.327 5.16 0.724 0.737 0.757 0.800 0.872 1.003 1.219 6.19 0.171 0.174 0.179 0.189 0.205 0.237 0.295 6.19 0.599 0.614 0.638 0.687 0.768 0.913 1.163 7.43 0.142 0.145 0.149 0.159 0.177 0.210 0.271 7.43 0.478 0.499 0.530 0.586 0.677 0.834 1.096 8.92 0.119 0.122 0.127 0.138 0.155 0.190 0.252 8.92 0.378 0.403 0.440 0.503 0.599 0.753 0.991 10.7 0.096 0.099 0.106 0.118 0.137 0.172 0.235 10.7 0.313 0.336 0.376 0.443 0.547 0.713 0.975 12.8 0.075 0.079 0.087 0.102 0.123 0.158 0.216 12.8 0.260 0.286 0.330 0.400 0.509 0.677 0.933 15.4 0.059 0.064 0.073 0.089 0.113 0.145 0.200 15.4 0.217 0.245 0.293 0.370 0.487 0.668 0.900 18.5 0.046 0.052 0.062 0.079 0.103 0.135 0.185 18.5 0.180 0.211 0.262 0.344 0.462 0.637 0.876 22.2 0.037 0.043 0.054 0.072 0.094 0.125 0.170 22.2 0.154 0.188 0.241 0.324 0.439 0.605 0.831 26.6 0.030 0.037 0.048 0.065 0.085 0.114 0.155 26.6 0.136 0.172 0.227 0.310 0.427 0.586 0.811 31.9 0.026 0.033 0.044 0.060 0.079 0.106 0.145 31.9 0.123 0.160 0.216 0.299 0.417 0.576 0.780 38.3 0.023 0.030 0.040 0.055 0.075 0.100 0.132 38.3 0.113 0.149 0.204 0.285 0.391 0.555 0.740 46.0 0.020 0.027 0.036 0.050 0.069 0.092 0.125 46.0 0.106 0.143 0.198 0.278 0.389 0.530 0.710 55.2 0.018 0.024 0.032 0.045 0.064 0.086 0.112 55.2 0.099 0.133 0.184 0.259 0.361 0.501 0.674 66.2 0.016 0.022 0.030 0.042 0.059 0.080 0.105 66.2 0.094 0.128 0.177 0.249 0.349 0.490 0.650

79.5 0.015 0.020 0.027 0.038 0.054 0.075 0.098 79.5 0.089 0.122 0.169 0.237 0.336 0.462 0.625 95.4 0.013 0.018 0.025 0.035 0.050 0.068 0.091 95.4 0.085 0.117 0.162 0.226 0.319 0.439 0.594 114.5 0.012 0.017 0.023 0.032 0.048 0.065 0.083 114.5 0.082 0.113 0.156 0.218 0.319 0.420 0.580

Das hier vorgestellte Parameterverfahren zur raschen Abschätzung der Überflutung an vorgegebenem Standort infolge zweidimensionaler Ausbreitung einer Flutwelle wurde im Oktober 2002 von Dr. C. Beffa, Schwyz, im Auftrag des Bundesamtes für Wasser und Geologie entwickelt.

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Tabelle B: Werte für die laterale Ausbreitung Ymax [-] Liste der verwendeten Bezeichnungen B - Breschenbreite Gefälle [%] cq - skalierter spezifischer Abfluss Distanz 0.25 0.5 1 2 4 8 16 cv - skalierte Fliessgeschwindigkeit D - mittlerer Korndurchmesser des Sohlenmaterials 1.00 20.3 10.5 4.2 3.4 2.9 2.6 2.1 g - Erdbeschleunigung 1.20 21.2 11.4 5.8 4.0 3.2 2.8 2.3 h - Abflusshöhe 1.44 22.1 12.4 6.8 4.6 3.5 3.1 2.6 H - Stauhöhe am Fuss der Sperre he - Energiehöhe =h+v2/(2g) 1.73 22.9 13.4 7.7 5.2 4.0 3.4 2.9 kst - Strickler-k-Wert 2.07 24.0 14.5 8.8 5.8 4.4 3.8 3.2 L - horizontale Längenskala für endliche Speichergrösse 2.49 25.3 15.7 9.7 6.5 4.9 4.1 3.5 Lo - horizontale Längenskala für unendliche 2.99 27.0 17.0 10.7 7.3 5.4 4.3 3.8 Speichergrösse 3.58 29.1 18.4 11.7 8.0 6.1 4.8 4.1 q - spezifischer Abfluss (= Abflusshöhe x Fliessgeschwindigkeit) 4.30 31.1 19.9 12.8 8.8 6.7 5.4 4.4 Q - Skala des spezifischen Abflusses 5.16 33.2 21.3 14.0 9.7 7.3 5.8 4.8 S - Längsgefälle der Sohle 6.19 v - Fliessgeschwindigkeit 35.3 22.9 15.2 10.6 8.0 6.3 5.2 V - Skala der Fliessgeschwindigkeit 7.43 37.7 24.5 16.4 11.6 8.8 6.8 5.6 Vol - Speichervolumen 8.92 40.2 26.3 17.7 12.6 9.6 7.4 5.9 Volo - dimensionsloses Speichervolumen Volmax dimensionsloses Speichervolumen, das im 10.7 42.8 28.2 19.0 13.6 10.3 8.1 6.2 Untersuchungsperimeter zu keiner relevanten 12.8 45.4 30.4 20.7 14.8 11.1 8.8 6.7 Reduktion der Abflussintensitäten führt 15.4 48.6 32.7 22.3 16.0 12.1 9.5 7.5 x - Entfernung von der Sperre X - skalierte Entfernung von der Bresche für 18.5 52.1 35.1 23.9 17.0 13.1 10.1 8.3 endliche Speichergrösse 22.2 55.3 37.5 25.7 18.5 14.0 10.9 8.9 Xo - skalierte Entfernung von der Bresche für unendliche Speichergrösse 26.6 58.6 40.1 27.7 20.0 14.9 11.7 9.6 Xmin - skalierte Entfernung von der Bresche, wo der 31.9 61.7 42.8 29.9 21.3 16.1 12.5 10.2 Einfluss der Speichergrösse wirksam wird 38.3 65.0 45.7 32.2 22.8 17.4 13.3 10.8 y - Entfernung von der Strahlachse Y - skalierte Entfernung von der Strahlachse für 46.0 68.6 48.3 34.7 24.5 18.5 14.0 11.5 endliche Speichergrösse 55.2 72.6 50.7 37.2 26.5 19.7 15.0 12.2 Yo - skalierte Entfernung von der Strahlachse für 66.2 76.4 53.0 39.7 28.9 21.0 16.2 12.8 unendliche Speichergrösse

Ymax - skalierte maximale Entfernung von der 79.5 80.6 55.9 41.9 31.0 22.2 17.3 13.7 Strahlachse (=Überflutungsgrenze) 95.4 85.4 59.3 44.1 33.1 23.7 18.5 14.7 Yrel - relative Entfernung von der Strahlachse 114.5 90.5 62.9 46.7 34.9 25.7 20.1 16.3 bezogen auf die Überflutungsgrenze

Tabelle C: Werte der charakteristischen Querprofile

Distanz spezifischer Abfluss Fliessgeschwindigkeit 0.00 1.00 1.00 0.10 0.98 0.99 0.20 0.92 0.96 0.30 0.82 0.92 0.40 0.69 0.86 0.50 0.54 0.77 0.60 0.37 0.66 0.70 0.22 0.52 0.80 0.09 0.35 0.90 0.02 0.13 1.00 0.00 0.00

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Tabelle für die Berechnung: Vorgehen bei der Anwendung des 2D-Verfahrens

Für die nach dem Berechnung der Überflutungsintensität im 2D-Fall (Beffa- Verfahren) kann nach dem untenstehenden y

Schema vorgegangen werden. Es ist darauf Vol

hinzuweisen, dass das Verfahren nur gültig B D; (kSt.) ist, wenn das Gelände, auf dem die H Flutwelle sich ausbreitet, eine schiefe Ebene (x,y) bildet. x

Berechnungstabelle für 2D-Breschenabfluss

Input, Dimen Parameter und Berechnungsgrössen: Berechnungsformeln sionen Bemerkungen

Parameter: Stauhöhe H m

Breschenbreite B m Sohlengefälle S % mittlerer Korndurchmesser D m (s. Abbildung 3) Speichervolumen Vol m Abflussverhältnisse in Punkt (x,y), Distanz von der Sperre: x m laterale Distanz von der Strahlachse: y m

Berechnungen:

A) Abfluss für endliche Speichergrösse Vol0 < 4000

Skalierte Grössen: 0.5 Länge Lo = (BH) m

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Koeffizient für spezifischen Abfluss: für (Xo < 6): n=0 0.5 n 2 Spezifischer Abfluss Qo = (B) *H(H/30D) m /s Koeffizient für spezifische Geschwindigkeit: für (Xo < 6): n = 0.1 0.5 n Spezifische Geschwindigkeit Vo = (gH) (H/30D) m/s Faktor kq für die Ermittlung von Xmin für S £ 2%: kq = 2.5 (entspricht Tabelle 1/3 in Abbildung 4) (1/3) Breschenabstand für spezifischen Abfluss Xmin = kq*Volo -(Xo-Xmin)/5/Xmin) Modifizierte Länge für Abfluss L = Lo(4000/Volo) Dimemsionsloser Breschenabstand X=x/L Þ Diagramm A-a und B

Dimensionsloser spez. Abfluss q /Q [X,S] Ü Diagramm A-a: q/Q

Faktor kv für die Ermittlung von Xmin für S £ 4% kv = 3.0 Dimensionsloser Breschenabst. für Fliessgeschwindigkeit Xmin = kvVolo -(Xo-Xmin)/7/Xmin) Modifizierte Länge für Fliessgeschwindigkeit L = L0(4000/Volo) Dimemsionsloser Breschenabstand X=x/L Þ Diagramm A-b: v/V

Dimensionlose Fliessgeschwindigkeit v/V[X;S] Ü Diagramm A-b: v/V

Effektive Grössen in Strahlachse für x m Spezifischer Abfluss q = (q/Q) * Qo m /s Fliessgeschwindigkeit v = (v/V) * Vo m/s Abflusshöhe h=q/v m Energiehöhe he = h + v /2g m

Laterale Ausbreitung: L aus modifizierter Relative Distanz von Strahlachse bezüglich modifiz. Länge Y = y / L m Länge für Abfluss Laterale Ausbreitung Ymax[X,S] Ü Diagr. B: lat. Ausbreitung

Relative laterale Ausbreitung Ŷ = Y / Ymax Þ Diagramm C: Querprofil

Querprofilwert für Abfluss cq(Ŷ) Ü Diagramm C: Querprofil

Querprofilwert für Flissgeschwindigkeit cv(Ŷ) Ü Diagramm C: Querprofil

Effektive Grössen im Punkt x und y m Spezifischer Abfluss q' = q *cq m /s Fliessgeschwindigkeit v' = v *cv m/s Abflusshöhe h' = q / v m Energiehöhe he' = h + v /2g m

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"unendliche" B) Abfluss für sehr grossen Speicher Vol0 / 4000 Speichergrösse Skalierte Grössen: 0.5 Länge Lo = (BH) m Dimensionloser Breschenabstand Xo = x/Lo Þ Diagramm A: q/Q und v/V

Koeffizient für spezifischen Abfluss: für (Xo < 6): n=0 0.5 n 2 Koeffizient für spezifische Geschwindigkeit: für (Xo < 6): n = 0.1 0.5 n Dimensionsloser spezifischer Abfluss q/Q[Xo;S] Ü Diagramm A-a: q/Q

Dimensionslose Fliessgeschwindigkeit v/V[Xo;S] Ü Diagramm A-b: v/V

Effektive Grössen: Spezifischer Abfluss q = (q/Q) * Qo m /s Abflusshöhe h=q/v m

Laterale Ausbreitung:

Relative Distanz von Strahlachse bezüglich modifiz. Länge Y = y / L0 m Laterale Ausbreitung Ymax[X0,S] Ü Diagr. B: lat. Ausbreitung

Relative laterale Ausbreitung Ŷ = Y / Ymax Þ Diagramm C: Querprofil

Querprofilwert für Abfluss cq(Ŷ) Ü Diagramm C: Querprofil

Querprofilwert für Flissgeschwindigkeit cv(Ŷ) Ü Diagramm C: Querprofil

Effektive Grössen im Punkt x und y m Spezifischer Abfluss q'' = q *cq m /s Abflusshöhe h'' = q / v m