Wildbäche können, abhängig vom Niederschlagsereignis, in kürzester Zeit extreme Ausmaße annehmen. Wasser aus zahlreichen Hängen und Seitenrinnen kommt gleichzeitig im Hauptgerinne an und wird gebündelt. Durch die Steilheit sind die Abflussgeschwindigkeiten hoch.
Die Bernoulli-Gleichung ist die hydrodynamische Ausgangslage, die die Zusammenhänge erklärt:
Die drei Terme beschreiben die mechanische Energie des Wassers:
- Erster Term: Lageenergie durch die Höhe
- Zweiter Term: Druckenergie
- Dritter Term: Kinetische Energie
Der entscheidende Term ist zunächst die Höhenlage. Durch das große Gefälle nimmt die Höhenenergie ab. Diese Energie wird teilweise in Geschwindigkeit umgewandelt: Das Wasser wird also immer schneller. Genau diese hohe kinetische Energie ist bei Wildbächen problematisch.
Die Verdoppelung der Geschwindigkeit bedeutet nämlich eine vierfache kinetische Energie.
Bei einem Wildbach führt das gleich zu mehreren Problemen:
- Das Wasser übt bei hoher Geschwindigkeit große dynamische Kräfte auf Bauwerke, Ufer und Sohle aus.
- Die hohe Strömungsenergie kann Boden und Gestein lösen (Erosion) und die Bachsohle bzw. Ufer ausräumen.
- Steine werden bewegt, beschleunigt und können wie Geschosse auf Bauwerke treffen (Geschiebetransport).
Mechanischen Energie wird durch Turbulenz, Reibung, Verwirbelung, Stoßvorgänge und Geschiebebewegung dissipiert.
Turbulenz bezeichnet eine ungeordnete, schwankende Strömungsbewegung, bei der sich die Geschwindigkeit und Richtung des Wassers ständig ändern. Die Turbulenz entspricht einer inneren Reibung und Viskosität, sodass die Bewegungsenergie abgebaut und in Wärme umgewandelt wird.
Dabei ist hL die Höhe des dissipierten Energieanteils. Es erklärt sich von selbst, dass die kinetische Energie durch einen möglichst hohen Verlustanteil in der Gleichung minimiert wird.
Als Energieumwandlungsanlagen stehen verschiedene Konzepte zur Verfügung.
Bei geringen Energiehöhen können Steinrampen eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um ökologische Varianten, weil die Fischmigration gewährleistet ist. Zudem stabilisieren die Steinrampen die Flusssohlen und lassen auch höhere Gefälle zu. Die Energieumwandlung vollzieht sich einerseits auf der Rampe selbst und andererseits im Wechselsprung zu einem flacheren Gefälle.
Treppenschussrinnen (oder Kaskaden) werden bei größeren Energiehöhen eingesetzt, indem Stufen ausgeführt werden. Übersteigt die Strömung ein bestimmtes Maß und werden die Stufen vollgefüllt und es stellt sich eine Strömung ein, die einem Gerinne mit einer bestimmten Rauheit entspricht.
Ein Tosbecken ist eine Anlage, in welcher ein kontrollierter hydraulischer Wechselsprung von schießend zu strömend zur Energieumwandlung bezweckt wird. Die Froude-Zahl unterscheidet bei Gerinneströmungen ein schießendes von einem strömenden Gerinne . Ein strömender Abfluss mit einer Froude-Zahl kleiner 1 ist charakteristisch für einen Flusslauf, ein schießender Abfluss mit einer Froude-Zahl größer1 ist für steile Wildbachstrecken charakteristisch.
Ein Abflusswechsel von schießend zu strömend findet durch einen hydraulischen Wechselsprung statt. Ein Wechselsprung kommt in der Natur bei Gebirgsbächen oder Hindernissen in Flüssen oft vor. Im Tosbecken sind die Prozesse komplex, weil durch die Turbulenz die Geschwindigkeiten gegenläufig sind und Luftdurchmischung stattfindet. Dadurch wird Energie abgebaut. In der Praxis werden Tosbecken oft vertieft ausgeführt, um ein Abwandern der Wechselsprung-Walze zu verhindern.
Bei hohen Energiehöhen werden Sprungschanzen ausgeführt, weil Tosbecken nicht mehr wirtschaftlich sind. Konstruktiv wird versucht, das Wasser vom Bauwerk wegzuführen, um das Fundament zu schützen. Das Wasser wird wie bei einer Sprungschanze in die Luft geschossen. Der Luftwiderstand baut Energie ab. Weitere Energie wird durch den Aufprall abgebaut.
Während bei Tosbecken eine Turbulenz bezweckt wird, wird die Energie bei Prall- und Störkörpern („impact dissipators“) durch den Aufprall abgebaut. Sind die Platzverhältnisse eng, werden Aufprallmauern ausgeführt.
Literatur:
[1] Heinz Patt: „Wasserbau“, Springer Fachmedien, Wiesbaden 2021
[2] Konrad Bergmeister, Jürgen Suda, Johannes Hübl, Florian Rudolf-Miklau: „Schutzbauwerke gegen Wildbachgefahren – Grundlagen, Entwurf und Bemessung, Beispiele“, Ernst und Sohn Verlag, Berlin 2009
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