Die B ew egung der Geschiebe

U nter Geschiebe werden alle auf oder in der Sohle sich bewegenden festen B estandteile verstanden, vom K ies bis zum feinsten Sand, solange er nicht schwim m t. Wir haben zu unterscheiden zwischen der Räum ungskraft des Wassers, von der die Lösung der Geschiebe von Ufer und Sohle abhängt und der Schleppkraft, durch die die Bewegung bedingt ist. D ie Lösung der Geschiebe ist abhängig hauptsächlich von der Druck- und der Stoßkraft, die das Wasser ausiibt, die Schleppkraft hauptsächlich von den Reibungs- und den Stoßkräften des fließenden W assers. Beide sind in ihrer Gesamtwirkung abhängig von der lebendigen K raft der W asserfäden, die auf einen Geschiebekörper einwirken.

D ie Räum ungskraft bedarf noch weitgehender Klärung, über die Schleppkraft sind aber bereits Versuche angestellt worden.

Bei der Tiefe t des Flusses an einer Stelle wirke auf einen vorläufig kugelför-Q e>

V u __ K 2 2 g ’ wenn das Einheitsgew icht des Wassers gleich 1 gesetzt wird. Gemäß den V ertikal­

geschwindigkeitskurven ist die Geschwindigkeit vu an der Sohle am geringsten.

Sie werde bezogen auf die m ittlere Geschwindigkeit vm, es sei vu = a • vm . Es sei nach irgendeiner Geschwindigkeitsformel vm = /t ■ y t • J . Der Bewegungs-beiwert, bezogen auf die lebendige K raft, sei b, so daß die ausgeübte Schlepp­

kraft des Wassers w ird : R = b ■ L — — - — — = - - - 1 • J — <xt • J t / q m ,

2 g 2 g

a - • b • u 2

wenn man R = 1000 tx t J kg/qm und — ——— = & setzt.

In anderer AVeise is t d iese G leichung a b g e leitet w orden a u s folgen der B etra ch tu n g : In ein em F lu sse bew ege sich ein e AVassersäule v o n der T iefe t , 1 qm B o d en flä ch e un d d a m it dem In h a lt 1 cbm . D ie seitlich e B ew egu n gsk raft is t t ■ sin tx = t j . G em äß d en früher er­

folgten A usführungen m uß diese S eiten k om p on en te ein e B esch leu n igu n g des AArassers herbei­

führen. D a aber gleichförm ige B ew egu ng b e ste h t, m uß d ie K r a ft dau ernd durch inn ere R eib u n g un d Sohlenreibung aufgezeh rt w erden. S o w eit d ie inn ere R eib u n g dazu d ie n t, w ieder Stoß k räfte oder R eibu n gsk räfte au f die Sohle auszu ü b en , w ird sie w ieder zur S ch lep p ­ bew egung m it verb rau ch t. E in T eil aber w ird sich in AVärme v erw an d eln u n d a n Soh le und L u ft abgegeben w erden. E s b leib t so m it nur ein T e il dieser K ra ft t • J für d ie B ew eg u n g der G eschiebe verfügbar. D ieser T eil sei tx • t ■ J . W ir erh alten so m it d en selb en A usdruck w ie vorhin.

E s sind Versuche über die Schleppkraft des Wassers von E n g e l s und anderen Fachleuten ausgeführt worden. Aus ihnen ergibt sich, daß tx kleiner als 1 ist, aber sehr nahe bei 1 liegt, tx ist um so größer, je gleichmäßiger das Wasser fließt, und um so kleiner, je größer die inneren Wirbel sind. Erfahrungsgemäß treten bei N W . in den Flüssen über den Übergängen große Gefälle ein, über den K olken schwache. D ie inneren Bewegungen müssen über den Furten stärker sein als in den Kolken. D a aber wegen der geringeren Querschnittsgröße und des größeren Gefälles das Wasser über den Übergängen schneller fließen muß als in den Kolken, so muß trotz allem die Geschiebebewegung in den Übergängen größer sein als in den Kolken. D ie Ü bergänge werden som it bei NW7, stärker ausgewaschen und die Kolke aufgehöht. S t e i g t d a s AA7as s e r . dann nehm en die inneren B e­

wegungen über den Übergängen schneller ab als in den K olken. D as Gefälle

A llgem ein es. 1 0 7 verringert sich am Übergang in viel größerem Maße als über den K olken. D ie Erfahrung zeigt, daß auch hier das Gefälle wieder ausschlaggebend ist, daß die Sehleppkraft über den Übergängen schneller abgenomm en h at als in den Kolken.

D ie Übergänge erhöhen sich, die K olke vertiefen sich.

E. Wassermengen.

a) Allgemeines.

Für jede wasserbauliche Arbeit, ob sie nun im Verkehrsinteresse oder im wasserwirtschaftlichen Interesse erfolgt, ist die K enntnis der W assertiefen, der Spiegellage und des Gefälles, der Geschwindigkeit und der W assermenge n o t­

wendig, dazu das W issen über die A rt und den Um fang der Änderungen, die sich in den einzelnen Jahreszeiten in dem W asserlauf vollziehen. Auch das allgemeine volkswirtschaftliche Interesse verlangt eine genaue K enntnis der Eigenschaften der Flüsse. Für den W asserverkehr kom m t es vor allem an auf die W assertiefe, Querschnittsbreite und Geschwindigkeit, für wasserwirtschaftliche Fragen, A us­

bau von Staustufen usw. auf die Gefälle und die W assermengen. Bei F lu ß ­ kanalisierungen im Schiffahrtsinteresse spielt die K enntnis der Wassermengen gleichfalls eine entscheidende B olle, weil die Abm essungen der W ehre von ihnen abhängig sind. Eine vollständige wasserbauliche Ar-beit wird auf alle Fälle über alle Belange des W asserlaufes, Tiefen, Breite, Spiegelschwankungen, Gefälle, lichte H öhe der Brückenöffnungen, Lage alter vorhandener Wehre, Ge­

schwindigkeit, W assermengen A uskunft geben müssen.

D ie W erte, die am schwersten zu erlangen sind, sind die relativen, also Ge­

schwindigkeit und W assermenge. H a t man die Geschwindigkeit für einen Quer­

schnitt genau bestim m t, dann ist dam it auch die W assermenge gegeben. D ie unm ittelbare Messung der Wasser menge ist nicht möglich. Selbst die Messung an W ehren verlangt immer wieder Rechnungen, deren Ergebnis unsicher ist. W eil nun die G eschwindigkeiten eine so große Rolle spielen, einmal für die Bewegung der Schiffe im W asser, dann für die Größe der W assermengen, hat man durch Schaffung der Geschwindigkeitsformeln einfache Methoden zu finden gesucht, die uns die Geschwindigkeiten ohne große Messungen ergeben. Ob m an nun aber die Geschwindigkeiten durch Form eln finden will oder durch Messung m it Ge­

schwindigkeitsmessern, immer ist die Messung der W assertiefen, Querschnitte und Gefälle Vorbedingung. E s müssen deshalb zuerst die Maßnahmen für die absoluten Messungen (Tiefen, Gefälle usw.) besprochen werden, danach die Maßnahmen zur Vornahme der relativen (Geschwindigkeiten und W assermengen).

b) Pegel.

D ie augenfälligste Erscheinung an einem W asserlauf ist der W asserstand.

Seine Unterschiede sind für die Ländereien, Schiffbarkeit usw. bedeutungsvoll.

Sie werden an Pegeln abgelesen, die fest oder beweglich sein können. D ie festen Pegel bestehen aus M aßstäben, die an Pfählen, Mauern oder Pfeilern befestigt sind und die unter den tiefsten und über den höchsten bekannten Wasserspiegel hinüberreichen. D ie Maßstäbe haben auf dem europäischen Festland fast durch­

weg M eterteilung, in den angelsächsischen Ländern Fußteilung. D ie Pegel müssen an Stellen stehen, die dem Angriff des Eises wenig ausgesetzt sind und die ein bequemes Ablesen ermöglichen. N icht immer ist es möglich, die niedrigsten und höchsten W asserstände am gleichen Pegel abzulesen, dann ist ein Pegel in der Niedrigwasserrinne und ein weiterer auf dem Vorlande in der N ähe des H och­

wasserufers notwendig. Beide Pegel m üssen auf den gleichen N ullpunkt ein ­ gemessen sein. Sie sind den gleichen Veränderungen unterworfen wie B au­

werke. Auch Pegel an einzelnen Pfählen können ihre Höhenlage ändern, Pfähle

1 0 8 W assennengen.

können durch Anrennen von Schiffen schräg -werden, sie können bei Aufwühlen des Untergrundes versacken, durch Anfrieren v o n großen Eisschollen bei Steigen des Wassers gehoben werden. D ie P egel m üssen deshalb jährlich wenigstens einm al genau durch Einnivellieren auf zwei verschiedene F estpunkte auf ihre H öhenlage geprüft werden. H a t sich der Pegel um w enigstens 10 cm ver­

ändert, dann ist sein neuer N ullpunkt anzugeben. P egel­

latten m it einfachem Ölfarbenanstrich besitzen nur kurze Lebensdauer und sind nur für vorübergehende Zwecke brauchbar. Am besten sind eiserne L atten m it E m aille­

oder Porzellansehildern, die sich im W asser so gu t wie nicht verändern und leicht gereinigt werden können. Abb. 9 4 bis 96 geben Ausführungen v on Pegeln an. W ill m an die W asserstände genauer ablesen können, dann kann m an die Pegellatte auch auf eine B öschung legen, muß dann aber die Einteilung entsprechend der N eigung vergrößern.

D ie Böschungspegel sind im allgem einen weniger zw eck­

m äßig wegen der erschwerten Ablesung und w eil bereits kleinere Änderungen der B öschungen z. B . infolge Sackens

Abb. 9 4. der D eiche usw. XJngenauigkeiten ergeben müssen.

D as Ablesen des W asserstandes in der W asserlinie wird durch die W ellen erschwert, es wird w esentlich er­

leichtert, wenn m an die Ablesungsstelle durch Einfügung von Schwimmern hochlegt. (Abb. 97 u. 99). Selbst stärkere Schwankungen sind dann kein H indernis für gute A b ­ lesungen. E in einfacher Schwimmerpegel besteht aus einem Holz- oder Metallschwimmer, v on dem aus ein Abb. 95. dünnes D rahtseil nach oben über eine R olle geleitet wird.

Abb. 9i u. 9 5. PeKciiattcn. -An dem anderen E nde des D rahtseiles hängt ein Gegen­

gewicht, dessen untere K an te an einem nun höher g e­

legten Maßstabe den W asserstand ablesen läßt. Für wichtige Pegel werden nur hohle Metallschwimmer verwandt. Der Pegel wird dann am besten in einen

selbstschreibenden um gew andelt.

D ie Pegel m üssen an allen w ichtigen Stellen der Gewässer errichtet werden. Ihre Anlage ist die erste Voraussetzung für eine genaue E r­

kundung der W asserstände. W egen der W ichtigkeit der W asserstände für die Ortschaften finden sich Pegel bei größeren Orten am besten an Brücken, dann

Abi», 06, Fcgcllatto an einem Brückenpfeiler,

a) Ansicht, b) Schnitt b—b. Abb. 97. ScliwimmpegeP für Ober- u n d Unterwasser an einer Staustelle.

P egel. 1 0 9 vor und nach Einm ündung von größeren Nebenflüssen, an allen größeren Brechpunkten des Gefälles. D er Pegelnullpunkt sollte stets unter dem N N W . hegen, so daß m an immer nur m it positiven Ablesungen zu rechnen hätte.

Leider liegen aber viele Pegelnullpunkte nicht unter dem N N W ., so daß man m it Plus- und Minuswerten zu rechnen hat. D ie Pegeleinteilung erfolgt g e­

wöhnlich durch abwechselnd weiße und schwarze Striche von 2 cm Stärke, eine weitere Einteilung ergibt Felder von 10 cm H öhe, s. Abb. 94 bis 97.

Selbstschreibende Pegel entstehen da­

durch, daß m an durch den Schwimmer oder durch D ruckluft einen Stab auf und nieder bewegen läßt, an dem eine Schreibfeder sitzt, die auf einer sich langsam drehenden, m it Papier bespannten Trommel K urven schreibt.

Der Schreibstab wird bei Schwimmpegeln am besten durch ein Zahnradgetriebe be­

w egt. D as Schwimmseil wird über ein größeres B a d geführt, auf das ein Zahnrad gekeilt ist. Das Zahnrad bew egt dann eine

zum Uhr werk

Quecksilber _{Luftpum pe}

— S chacht in Verbindung m it F lu ß

2 um Ftuße

Abb. 98. Druckluftpegcl nach F lie ß . Schematisches Abb. 99. Selbstzeichnender Schwimmerpegel

Bild. v o n F l i e ß .

Zahnstange, an der der Schreibstift sitzt. Man kann auch noch weitere B a d ­ getriebe einschalten und auf diese W eise jede gew ünschte Übersetzung erhalten.

Das Bild eines solchen Pegels zeigt Abb. 99. — Neben den Schwim merpegeln sind Druckluftpegel entw ickelt worden1). Es wird eine flache Druckluftglocke (Abb. 98) einige Dezim eter unter dem N N W . angebracht; sie steh t m it dem Schenkel U einer U -fö rm ig en Quecksilberröhre in Verbindung. D er andere Schenkel trägt den Sch reib stift, der m it einem kleinen Schwimmer auf dem Quecksilber schwimmt. D ie Glocke wird durch die Luftpum pe von Zeit zu Zeit neu gefüllt.

Das Bohr besteht aus Blei m it 2 m m oder größerer Bohrung. D ie Bohrung ist von der Länge der Leitung abhängig. In der A bbildung h at m an sich vor 0 Große V erd ien ste um d ie E n tw ick lu n g der selbstsch reib en d en P eg e l h a t sich u. A . die F irm a F u e ß in S te g litz b. B erlin erworben.

1 1 0 W asserm engen.

Abb. 100. Bandpegcl von l ’ u eß .

und hinter der Glocke einen freien R aum im Schacht zu denken, so daß das Wasser sieh an der feststehenden Glocke auf und ab bewegen kann. Der Schacht kann nach Abb. 101 durch einen Heber m it dem Gewässer verbunden werden.

Es ist das u. U . besser als ein tiefliegendes Verbindungsrohr, das schwer zu reinigen ist.

D a neben der W asserstandshöhe auch das Gefälle eine große R olle spielt, ist der Vorschlag von K a y s e r 1) w ertvoll, der durch K upplung zweier Schwimmer auf eine P egel­

trom m el einen selbsttätigen Differenzpegel geschaffen hat. D ie beiden S c h w i m m e r ­ b r u n n e n m ü s s e n e i n e n s o l c h e n A b ­ s t a n d v o n e i n a n d e r h a b e n , d a ß a u ch d ie b e i d e n P e g e l k u r v e n g e n ü g e n d A b s t a n d v o n e i n a n d e r e r h a l t e n , w e n n d i e S c h r e i b f e d e r n b e i d e r a u f g l e i c h e H ö h e n l a g e n e i n g e s t e l l t s i n d . H a t e i n F l u ß e i n G e f ä l l e v o n z. B . 1 : 5000, d a n n e r g e b e n 100 m A b s t a n d d e r B r u n n e n b e r e i t s e i n a u s r e i c h e n d e s G e f ä l l e v o n 20 mm. Aus diesen A ufzeichnungen kann m an dann das Gefälle unm ittelbar für alle W asserstände ablescn. Abb. 102.

Eine andere Form des Differenzpegels zwecks unm ittelbarer Ablesung em pfiehlt sich für Staustufen wie in Abb. 97 und Abb. 103. D ie Seile der beiden Schwimmer sind zu einer Pegelstelle geführt. D er U W .-Schwim m er trägt eine bewegliche Pegellatte, die sich zwischen den beiden festen des UW . und OW. bewegt. An ihr sitzt am O .-Punkt der Anzeiger für den U W .-Stand.

Der Anzeiger für das OW. zeigt einmal rechts den O W .-Stand an, dann links durch einen A bstand vom O .-Punkt der beweglichen L atte das Gefälle.

U m die Schwankungen des W assers infolge der W ellen und dam it die A uf­

zeichnung der letzteren zu verhindern, werden die Schwimm- oder D ruckluft­

glocken in Pegelschächten untergebracht, die nur durch ein enges Rohr m it dem Gewässer in Verbin­

dung stehen. Die W ellen­

schwankungen werden d a ­ durch so verkleinert, daß sie nicht mehr m it aufge­

zeichnet werden.

D ie F irm a F u e ß h a t Abb. 101. Heberpegel. selb stsch reib en d e P eg el ferner n o ch m it großen R o llb än d ern verseh en , A b b. 100, die eine A b lesu ng a u f m ehrere 100 m erlauben. E in e B esch reib u n g is t entbehrlich, denn es is t selb stverstän d lich , daß m an d ie B ew egu n g d es Schw im m ers, n a ch ­ d em sie auf ein R a d übertragen w orden ist, zur B ew egu n g v o n R o llen b en u tzen k an n, au f d ie sich ein R ollen b an d auf- u n d ab w ick elt. A uf d iesen B än d ern steh en d an n d ie W asser­

stan dszah len , deren gew öhn lich drei vor ein em F en ster ersch einen. D ie m ittlere g ib t den P eg elsta n d an, die b eiden and eren dienen zur K o n tro lle b ei der A blesung.

Z. d. B a u v erw a ltu n g 1906.

G esch w indigk eitsm essu ngen. 111 Oft besteht der-W unsch, die Ablesungen in die Ferne zu übertragen; dann sind Fernpegel notwendig. Auch hier ist die M öglichkeit durch die Bewegung des Rades gegeben. E s kann entsprechend groß ausgebildet und m it elektrischen

Abb. 102. Differenzpegel für GefilUmessungen nach Fl i e ß.

K ontakten besetzt werden. Ebenso w ie man Uhren elektrisch betreibt, kann man som it auch Pegelstände elektrisch überm itteln. E s muß aber darauf h in ­ gewiesen werden, daß m an die elektrische Einrichtung nicht

offen in einen Pegelschacht hineinsetzen darf, weil durch Oxydieren der K ontakte der Apparat leicht außer Betrieb

kommt.

-Jfe

_{UM | MM}

c) Gesellwindigkeitsmessungen.

1. Scliwim m erm essungen. ^Gefälltu _Skala

5.5

iss Sa Die Geschwindigkeiten in einem W asserlauf können auf

zwei verschiedene W eisen gem essen werden. Entweder m an verw endet Schwimmer, m ißt also die Bewegung unm ittelbar, oder m an m ißt die Druckkraft des fließenden Wassers und macht daraus R ückschlüsse auf die Geschwindigkeit unter Berücksichtigung von Versuchen, die vorher m it den gleichen Apparaten angestellt worden sind.

Schwimmermessungen, Abb. 104: Diese M eßmethode war früher die allein bekannte, ist aber seit längerer Zeit zu U n ­ recht vernachlässigt worden. Schwimmer dürfen des W indes wegen nur wenig über das Wasser hinausragen und sollen eine sehr geringe W asserverdrängung besitzen. Die Erfahrung, daß größere feste Körper schneller im Strom treiben als das Wasser an der Oberfläche fließt, verlangt einen m öglichst geringen Inhalt der Schwimmer. Oberflächenschwimmer (1 und 2) be­

stehen aus H olzscheiben, Flaschen, Glaskugeln usw . Ihre Verwendung ist nur bei W indstille oder bei ganz schwachem W inde zweckm äßig, weil der W ind sie sonst zu stark aus der Bahn treibt und nicht mehr die Geschwindigkeit des Strom ­

striches angegeben wird. Zur Messung der Geschwindigkeit in bestim m ten Tiefen werden Tiefenschwimmer verw andt. Sie bestehen aus H ohlkugeln von 10 bis

o .w .

i_i LJ

Abb. 103. Differenz- pegellatte.

112 W asserm engen.

20 cm Durchmesser m it so viel W asserfüllung, daß die K ugel gerade untersinkt (3).

D as vollständige Untersinken wird durch einen ganz kleinen Oberflächenschwim­

mer verhindert, an dem die K ugel durch einen Faden befestigt ist. Oberflächen­

schwimmer und Faden müssen wenig W iderstände bieten, sonst ist der Einfluß der Oberflächengeschwindigkeit zu groß. Tiefenschwimmer sind viel verw andt

worden, sie haben sich aber wegen des unregelmäßigen Schwimmens nicht gu t bewährt.

Stabschwim m er (4): D a es fast immer auf die m ittlere Ge­

schw indigkeit in den betreffenden Senkrechten ankom m t, so ist die Anwendung von Stabschw im ­ mern, die bis dicht über die Sohle hinabreichen, zw eck­

mäßiger. D iese Schwimmer wer­

den durch die Treibkraft der ganzen W asserschicht bewegt, m üssen also deren m ittlere Ge­

schwindigkeit wiedergeben. Sie stehen bei W indstille schräg, m it dem oberen Ende stromabwärts. Von großer W ichtigkeit ist es, ob die durchschwommene Strecke eine gleichm äßige Tiefe besitzt, da sonst der Schwimmer in den schmäleren, aber tieferen Strecken eine zu große G eschwindigkeit erhält.

B ei vorsichtiger B enutzung ergeben die Stabschwim m er Geschwindigkeiten, die höchstens 5 v. H . größer sind als die m it dem V oltm annschen Flügel erm ittelten. D ie Stabschwimmer können aus einem gewöhnlichen Stab, der unten beschwert ist, bestehen. Man kann auch schwim m ende Röhren verwenden, die so w eit m it Wasser gefüllt werden, daß sie auf der gew ünschten Tiefe schwimm en.

E s sind viele Apparate gebaut worden, die den Druck des fließenden Wassers zur Geschwindigkeitsmessung benutzen. Es sind Wasserräder, P latten, die durch einen W agebalken im Gleichgewicht gehalten und so weiter verw andt werden. H eute wird für Messungen in verschiedenen Tiefen die Pitotsche Röhre und der Voltm annsche Flügel verwandt.

W dokumencie Der Verkehrswasserbau : ein Wasserbau-Handbuch für Studium und Praxis (Stron 109-115)