Staffelausbau eines Flusses, insbesondere zur Ausnutzung seiner Wasserkraft. Die Erfindung betrifft den Staffelaus bau eines Flusses, insbesondere zur Ausnut zung seiner Wasserkraft und bezweckt vor allem, das Gefälle von Flussläufen, insbeson dere von träge fliessenden Strömen, die mit Hoehwasser-Schutzdämmen versehen sind, auch bei Hochwasser zu einem beträchtlichen Teil auszunutzen.
Gemäss der Erfindung sind mehrere Saugheberwehre hintereinander an geordnet, welche so ausgebildet sind, da,ss sie den Fluss auch bei gewöhnlichem Wasser stande bis zur Hochwasserhöhe anstauen und das Hochwasser ohne Rückstau abführen. Hierdurch wird die Wassergeschwindigkeit im Flusslauf, die sich sonst, ohne Einbau der Saugheberwehre, durch das von der Natur gegebene und durch die natürlichen Rei- hunIgswiderstä.nde im wesentlichen aufge brauchte Gefälle einstellt, dem durch den Stau geschaffenen grossen Strömungsquer schnitt entsprechend erheblich verlangsamt.
Der Querschnitt des Hochwasserbettes kann dabei ein Vielfaches des Querschnittes des natürlichen Flusslaufes sein. Durch die sich entsprechend verringernde Wasser geschwindigkeit kann die Strömungsverlust höhe, die bekanntlich dem Quadrat der Wassergeschwindigkeit proportional ist, auf einen kleinen Bruchteil der jetzt notwendigen und im natürlichen Flussbett verzehrten Ge- fällhöhe verringert werden,
so dass der weit aus grösste Teil der jetzt zum Fortschaffen des normalen Wassers notwendigen Gefälle- höhe an den Stauwehrstufen zur Ausnutzung zum Beispiel in Turbinen zur Verfügung steht.
Hierbei kann durch den Einbau der Saug heber, ,die zweckmässigerweise über die Wehr krone hinweggeführt sind und deren Lei stungsfähigkeit lediglich durch den Aus trittsquerschnitt bestimmt ist, jedes auftre tende Hochwasser ohne Rückstau abgeführt werden, so .dass der Stauspiegel unverändert gehalten wird. Turbinen, die zweckmässig in die Dämme selbst hineingebaut sind, kön nen unverändert betrieben werden, auch wenn das Hochwasser noch so hoch ist.
Freilich muss das durch die Turbine nicht verbrauchte Wasser mittelst der Saugheber über die be treffende Staustufe hinweggehoben werden, damit das Unterwasser der nächst höheren Staustufe stets etwa auf der gleichen Höhe bleibt.
Die Baukosten für einen solchen Staffel ausbau eines Flusses sind vergleichsweise sehr gering, zumal fast stets schon vorhan dene, zu beiden Seiten des Flusses laufende Hochwasser-Schutzdämme benutzt werden können, also nur noch die Saugheberwehre als Querverbindungen der Dämme eingebaut zu werden brauchen.
Um aber auch noch die Kosten .dieser Saugheberwehre tunlichst zu verringern, kann die Standsicherheit des Wehres nicht wie sonst lediglich durch das Gewicht des Mauerwerkes oder Wehrdammes, sondern auch noch durch den Druck des ge stauten Oberwassers geschaffen werden, daa durch eine schräge Wand abgestützt wird, welche sich einerseits auf .die Flusssohle im Oberwasser, anderseits auf im Unterwasser stehende, zweckmässig zylindrische Körper stützt. Vorteilhaft können diese Stützkörper hohl sein und sich, wenn sie mit einem Bo den versehen sind, mit Wasser füllen, wenn ihr oberer Rand nicht über den Oberwasser spiegel hinausragt.
Die Körper können also ein erhebliches Gewicht aufweisen, wäh rend der Aufwand an Baustoff, zum Bei spiel an Zement und Eisen, für das Stau wehr insgesamt sehr klein ist. Es empfiehlt sich, die Stützkörper vollständig ins Unter- wasser zu stellen, damit eine Unterspülungs- gefahr für sie nicht besteht.
Einige der zahlreichen möglichen Aus führungsformen des Staffelausbaues sind als Beispiele auf der Zeichnung veranschaulicht.
Fig. 1 stellt ganz schematisch und ent sprechend überhöht als Beispiel den Unter lauf eines in das Meer mündenden Flusses dar, und zwar strichpunktiert angedeutet den Wasserspiegelverlauf ohne, und in aus gezogenen Linien ",die Wasserführung nach Einbau von Saugheberwehren; " Fig. 2 zeigt den Querschnitt durch ein Stauwehr; Fig. 3, 4, 4a, 4b und 5 stellen zwei wei tere Ausführungsformen ,desselben, sowie Teilvarianten im Schnitt dar;
Fig. 6 zeigt schematisch eine Anordnung zur Erhöhung der Standsicherheit. Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 2 bis 6 sind die vorhandenen Saugheber nicht dar gestellt.
Fig. 7 und 8 veranschaulichen die Aus bildung des Stauwehrkörpers als Saugheber bezw. Turbinengehäuse; Fig. 9 veranschaulicht im Grundrissteil- schnitt eine Anordnung zur Erhöhung der Standsicherheit; Fig. 10 veranschaulicht im Grundriss einen Teil des Gesamtstauwehres mit Tur binen und Saughebern.
Wie der strichpunktierte Flussspiegelver- lauf der Fig. 1, für den Fall :der Mündung des Tiber, veranschaulicht, macht sich die Ausströmung in das Meer 9 auf etwa 43 Kilo meter der Flusslänge bemerkbar. Kennzeich nend ist, dass die auf dieser Strecke etwa 19 Meter betragende Gefällehöhe an den mit 10, 11 und 12 bezeichneten Stellen teilweise und schliesslich bei 13, bei der Ausmündung ins Meer, restlos in kinetische Energie ver wandelt wird,
welche die Reibung im Fluss- bett vergrössert, weil eine grössere Fliess- geschwindigkeit auftritt und eine geringere Fülltiefe des Bettes vorliegt. Der Fluss ver flacht und das Wasser gibt einen Teil seiner Energie in der Überwindung der Wider stände dieses flachen Flussbettes preis, wäh rend der Rest in kinetischer Energie dem Wasser zwar erhalten bleibt, aber für die Wasserkraftnutzung unbrauchbar ist.
Werden dagegen zum Beispiel zwei Saug heberwehre 14, 15 eingebaut, von denen das Wehr 14 am Meer, das zweite Wehr 15 etwa an .der Stelle des Ausströmbeginnes angelegt ist, su .gelingt es, die Stauhöhe an den beiden Wehren, und zwar selbst bei Hochwasser zu halten. Die Staudämme 14 und 15 verhin dern die genannte Umsetzung der potentiel len Energie in kinetische Energie.
Da das Unterwasser 9 des ersten Wehres das ?Meer bildet mit seinem konstant bleibenden Spie gel, ist an dem Wehr 14 immer eine sehr grosse Stauhöhe vorhanden, die durch die Saugheber dazu benutzt wird, das Wasser aus der hinter ihm liegenden Haltung 16 ab zusaugen. Es gelingt leicht bei der grossen Gefällehöhe, die zur .Verfügung steht, den Saugheber-Austrittsquerschnitt so zu .dimen sionieren, da.ss die grössten Hochwassermengen mit Sicherheit abgeführt werden.
Es könnte sogar leicht mehr Wasser durch den Saug heber 1.4' abgeführt werden, als in die Hal tung 16 einfliesst. Es ist somit ein Absenken des Spiegels der ersten Haltung infolge der Saugheber möglich.
Weil die Fülltiefe des Wassers in der Haltung 16 sehr gross, der hydraulische Radius ebenfalls wntsprechend gross ist, ist die Geschwindigkeit. selbst bei Hochwasser infolge des sehr grossen Querschnittes relativ klein, und somit sind die Fliesswiderstände innerhalb der Haltung ganz ausserordentlich verkleinert.
Gemäss Fig. 2 und ff. weist das als Saugheberwehr ausgebildete Stauwehr eine schräge Wand b auf, welche sich einerseits auf einen im Querschnitt etwa dreieckförmi- gen, auf der Flusssohle angeordneten Fuss körper e, anderseits auf eine Reihe von im Unterwasser stehenden Stützkörpern a ab stützt. Die Wand b ist derart schräg gestellt, dass die Standsicherheit des Stauwehres durch den Stauwasserdruck allein gewähr leistet ist.
Bei der Ausführung nach Fig. 2. sind die Stützkörper a als zylindrische Hohlkörper ausgebildet, deren Boden czl geschlossen sind und auf .dem Bett des Unterwassers ruhen. Die Stützkörper a sind oben in Richtung der Wand b, also schräg abgeschnitten. Das Oberwasser kann somit in den Hohlraum der Stützkörper eindringen und damit zur Er höhung der Standsicherheit der Stützkörper a wesentlich beitragen. Durch entsprechende Bemessung des Stützkörperdurchmessers ist das Gewicht und also der Bodendruck belie big wählbar.
tRagen die Stützkörper a gemäss Fig. 5 als seitlich geschlossene Zylinder bis über den Oberwasserspiegel, so dass kein Wasser in sie gelangt, so wird der Boden al und die -Quer- schnittfläche des Zylinders entlastet, weil das auf der Anordnung ruhende Wasser gewicht entsprechend verringert ist. Durch Wahl des Durchmessers lässt sich also der Bodendruck verändern, der Horizontalschub ändert sich dadurch nicht. Ferner ist die Grösse des Bodendruckes durch Änderung des Neigungswinkels der schrägen Wand b zu beeinflussen.
Je nach dem Bodendruck, der für die Stauwehrsohle zugelassen werden kann, be stimmt man die Durchmesser der Stützkörper <I>a</I> und die Schrägstellung .der MTand <I>b.</I> Je kleiner der zulässige Bodendruck, umso grösser wird der Querschnitt der Stützkörper gewählt. Immer kommt man mit den Ge wichten aus, die für die Standfestigkeit hin reichend sind. Das für ,die Standfestigkeit notwendige Gewicht lässt sich immer durch den Wasserdruck erreichen.
Der zulässige Bodendruck lässt sich auch bei schlechtem Untergrund dadurch beliebig erhöhen, dass die beiden Körper a und c des Wehres durch eine zum Beispiel im Recht eck geführte Spundwand d (Fig. 9) umzäunt werden.
Diese Spundwand d braucht nicht bis auf den festen Felsenboden oder einen wasserundurchlässigen Boden hinab zu rei chen, wenn in ihr wenigstens ein Abzugs rohr, etwa nach Art des Rohres e, das sich an den den Stützkörpern a zugekehrten Enden des Fusskörpers c befindet, (Fig. 6), angeord net wird, wobei zweckmässigerweise in diesem Rohr ein Unterdruck gewählt wird, der sämtliche Wasserfäden der Umgebung an sich zieht, so dass das Drängewasser vom Oberwasser nicht bis zum, Unterwasser durch laufen kann,
sondern sogar eine geringe Strö mung vom Unterwasser nach dem Abzugs rohr hin entsteht und die Stützfläche cl an den Boden und dieser an .die Stützfläche an gesaugt wird. Hierdurch ist die Wehranlage vollständig vordem Unterspülen geschützt. In diesem Falle könnten sogar die Spund- wände d wegfallen. Das Abzugsrohr könnte auch zwischen dem Stützkörper a und dem Fusskörper c angeordnet sein.
Eine weitere wesentliche Erhöhung der Standsicherheit lässt sich durch eine biege feste Verbindung f (Fig. 3) zwischen den bei den Körpern a und c erreichen.
Ein grosser Vorteil ist der Umstand, dass die Stützkörper a mit ihrem Boden a1 voll ständig im Unterwasser stehen. Dadurch be steht für sie selbst überhaupt keine Unter spülungsgefahr. Durch die vollständige Um zäunung des Bodens, auf dem das Wehr ruht, mit einer geschlossenen Spundwand, lässt sich erreichen, dass der Boden dem Druck. nicht ausweichen kann. Er kann also stärker belastet werden. Durch Einspritzen von Ze ment oder andern Bindemitteln lassen sich die Böden übrigens in verhältnismässig ein facher Weise zu einem festen Block ver binden.
Es empfiehlt sich, die schräge Wand b aus nebeneinander gelegten Eisenbeton- oder dergleichen Rohren b1 (Fig. 3 und 4) herzu stellen. Ihre Wandstärke kann dann eben falls klein gewählt werden. Trotzdem wird die Tragfähigkeit bedeutend. Zwischen den Rohren lässt sich leicht eine Dichtung b2 an bringen.
Die Rohre b1 können oben und un ten offen bleiben. Dann gelangt durch .die Rohre, die neben den Stützkörpern a liegen, Wasser hinter die Stützkörper. Der Quer- schnitt der Wand, der wegen der Tragfähig keit gross sein muss bezw. das Widerstands moment, sperren nicht den Wasserdurehfluss.
Wenn es darauf ankommt, neben der ein fachsten Herstellung der Stützkörper mit dem geringsten Aufwand an Material auszu kommen, so empfiehlt sich an Stelle rohr förmigen Querschnittes etwa ein solcher nach Fig. 4a. Die einzelnen, im Querschnitt etwa T-förmigen Tragkörper b3 sind an den Fugen durch etwa keilförmige Dichtungskörper b4 miteinander verbunden.
Stattdessen können auch Tragkörper b, mit etwa halbkreisförmigem Querschnitt (Fig. 4b) gewählt werden, wobei zweck mässig, wie in der Zeichnung dargestellt, die geschlossene Seite nach oben, gelegt ist. Durch den Druck, mit dem diese Körper b; belastet sind, wird die Fuge b, zwischen ihnen nahezu oder völlig selbsttätig gedichtet, weil sich die Breite der Körper bz, infolge des Wasser druckes verbreitert. Die Körper b, können hierbei auchTemperaturschwankungen folgen.
Die Stützkörper a, die gemäss der Ausfüh rung nach Fig. 5 über .den Oberwasserspiegel aufragen, lassen sich für die Abführung des Hochwassers benutzen, wenn sie etwa nach Art der Fig. 7 mit einer entsprechend aus gestalteten Glocke überdeckt sind, und man im Unterwasser etwa in der Nähe des Bodens al eine Austrittsöffnung a, für das Hoch wasser vorsieht.
Dadurch wird jeder Stütz körper a zu einem Saugheber ausgestaltet, wobei sich der erhebliche Vorteil einer denk bar grossen Einlauföffnung ergibt; denn überall an der Peripherie des Stützkörpers rz entlang tritt das Wasser in das Innere des Körpers a über, sobald die Luft aus dem Scheitel a3 des Hebers entfernt wird.
,Diese Luft kann durch ein besonderes, zweckmässig, wie auf der Zeichnung dar gestellt, am Stützkörper a. selbst angeordne tes als Saugstrahlpumpe wirkendes Überfall rohr g abgesaugt werden, das sich unten in eine sich nach aussen und oben erweiternde Düse<B>91</B> ergiesst, die ins Unterwasser taucht. An die engste Stelle der Düse ist ein Luft- röhr h geführt, dessen anderes Ende im Schei tel a3 der Saugheberglocke liegt.
Sobald das Wasser in das Überfallrohr g gelangt, was zum Beipiel durch eine Klappe von Hand oder durch einen selbsttätig bei bestimmtem Wasserstand sich senkenden Abschlussring bewerkstelligt werden kann, wird die Luft aus dem Saugrohr a., abgesaugt und der Heber beginnt seine Tätigkeit.
Die Ausbildung des Stützkörpers a als Turbinengehäuse zeigt Fig. B. "Auch in die sem Falle tritt das Wasser durch einen Heber a, in das hohle Innere des Stützkörpers a über. Es gelangt durch .den ringzylin drischen Kanal a, zur Turbine i, deren Welle il im Innern des Stützkörpers nach oben ragt. Immer ist .es vorteilhaft, dass die ein- zelnen Stützkörper wegen ihres kreisrunden Querschnittes sich sehr einfach herstellen lassen.
Diese Stützkörper a lassen sich bequem über der zur Verfügung stehenden Flussbreite so anordnen, dass sie über die ganze Fluss breite verteilt sind. Fig. 10 zeigt eine An ordnung, bei der eine Brücke k über die Sauglieber-Stützkörper a, gelegt ist, deren Reihe hinter der Stützkörperreihe at für die Turbinen, das heisst nach dem Unterwasser lein, liegt.
Dabei berühren sich alle diese Stützkörper a, und at bezw. die bis zur schrä- g;eii Wand herunterragenden .Saugheberkap- pen. a, wobei die Berührungslinien a; der Kappen a., (Fig. 8) den Abschluss bilden und der Boden a'. der Kappen die schräge Wand fortsetzt.
;Da die Schluckfähigkeit der Saugheber mit dem Quadrat des Durchmessers wächst, die Rauminanspruchnahme längs der Fluss breite aber nur mit dem Durchmesser selbst, lässt sich leicht Zahl und Durchmesser der Stützkörper immer so bestimmen, dass die ganze Flussbreite vollständig von den Heber körpern a, und Turbinenkörpern at ausgefüllt ist.