Untersuchung von instationären Wasserdrücken in porösen Medien (Forschungsbericht)

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BUNDESANSTALT

FOR WASSERBAU

( B A W )

Forschungsbericht

Untersuchung von instationären Wasserdrücken in porösen Medien

Auftrags. -Nr. : 91 8010

Aufgestellt von: Abteilung Allgemeine Technische Entwicklung im Wasserbau

Das Gutachten umfaBt 10 Seiten und 26 Anlagen

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Inha1t 1 1.1 I -Vorbemerkungen Druckänderung - -1.2---..Aufqabenst.eLl.unq '-.~..._ ..I>o= 7~.._::'" ~::-:....__] _- . _ 1.3 _ Forschungsauftrag ... .;. ~ J ~. _..:-:.:•- _ • c. _ ~- ; _. _. • _ ~ c...__"': - -1.4 UI'1fang," 2 2.1 2.2 - -.JJo. _. BAW-Grubenversuche Versuchsan1age Druckverhä1tnisse 2.3 Standsicherheit 3 Pi1ot-Mode11versuche 3.1 3.2 3.3 4 . -4 • 1 4.2 4.3 5 6 7 Versuchsan1age Versuche Ergebnisse Mathematische Lösung Vorgehen Ergebnisse Ausb1ick Zusanunenfassung Schrifttum "-. An1agen 1 - 26

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91 8010 03.10.83 Seite 1 1. Vorbemerkungen

Im Rahmen der Untersuchung der Langzeitbeständigkeit geotex-tiler Filter steilte sich die Frage, inwieweit unterschiedlich

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aufgebaute Filterschichten die Druckverhältnisse im Bereich durchlässiger Kanalauskleidungen bei schneller Änderung des freien Wasserspiegels beeinflussen und welche Folgerungen sich daraus für die langfristige Filterfunktion und die Standsicherheit der Uferböschungen ergeben.

Durch fahrende Schiffe entsteht in Kanälen eine Verdrängungsströ-mung, die im Bereich des Schiffes durch eine der Bewegungsrichtung des Schiffes entgegengesetzte Wasserströmung (Rückströmung) und einen kurzzeitig entstehenden Absunk des Wasserspiegels gekenn-zeichnet ist/3r4,5,lO,1~Aus zahlreichen Naturmessungen ist be-kannt, daB der freie Wasserspiegel - je nach Intensität der Ver-drängungsströmung - sehr schnell in Höhe des Schiffsbugs absinkt und erst in Höhe des Schiffshecks wieder ansteigt. Beim schnellen Absinken des freien Kanalwasserspiegels entsteht im wassergesättig-ten Untergrund ein zur Kanalauskleidung hin wirkendes hydraulisches Druckgefälle i, dessen GröBe und zeitlicher Verlauf einerseits we-sentlich die dauerhafte Funktion der in der Auskleidung eingebau-ten Filterschicheingebau-ten beeinflussen und andererseits die Standsicher-heit und Dauerhaftigkeit der gesamten Kanalauskleidung maBgebend bestimrnen.

Die mit Sunkgeschwindigkeiten bis zu 20 cm/s eintretende schnelle Druckänderung verursacht im porösen Medium des Untergrundes und der Kanalauskleidung in Abhängigkeit von der Tiefe z und der Zeit t instationäre Druckverhältnisse, die mit herkörnmlichenKenntnissen noch nicht hinreichend genug beschrieben werden können. In jüngster Zeit sind vergleichbare Druckverhältnisse aber auch bei zyklischen Seegangsbelastungen untersucht worden 11, 2,9,9/.

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91 8010 03. 10.83 Seite 2

Auf der Grundlage von zur Zeit noch andauernden Naturmessungen und bisher vorliegenden Ergebnissen aus Modellversuchen im MaB-stab 1 : 1 aus den Jahren 1972 bis j974 sollten die bei schneller äuBerer Druckänderung in por6sen Medien entstehenden instationä-ren Druckverhältnisse geklärt werden. Hierzu wurden zusätzliche Pilot-Modellversuche in der BAW und mathematische Untersuchungen dieses Komplexes im Institut ftir Hydraulik und Hydrologie (Prof. Lacher) der TH Darrnstadt vorgesehen. In den Modellversuchen sollte die M6glichkeit der Simulation derartiger Druckverhältnisse und ihre Auswirkung in ausgewählten B6den und Filtermaterialien er-mittel~ werden, während gleichzeitig unter Einbeziehung der Er- .

gebnisse der Modellversuche Ansätze ftir die physikalisch-mathema-tische Beschreibung entwickelt werden sollten.

Im Rahmen des Forschungsauftrags Nr. 91 8010 (Kap. 1206, Titel 53 202) wurden die Untersuchungen 1979 auf der Grundlage des Pro-jektantrags vom 10.10.1979 begonnen.

Die Bearbeitung der physikalisch-mathematischen Beschreihung die-ses Komplexes konnte noch nicht vollständig abgeschlossen werden, da Prof. Lacher am 03.07.1982 nach lang andauernder Krankheit ver-starb.

Im vorliegenden Forschungsbericht werden die Untersuch ungsergeb-nisse liber instationäre Wasserdrticke in por6sen Medien angegeben und ~rläutert. Hierin werden auch die Ergebnisse früherer Modell-untersuchungen angegeben, die die Grundlage des untersuch ungspro-gramms bilden.

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91 8010 03.10.83 Seite 3 2. BAW-Grubenversuche

Von 1972 bis 1974 wurden in der Versuchsgrube der BAW im,

MaB-stab_' :

!

~odelluntersuchungen durchgeführt, _in denen_die Aus-'

wirkungen der _bei Schiffsvorbeifahr~_entstehenden schnellen

Was-serspiegeländerungen untersucht wurden /6, 7/.

Die Versuchsanlage besteht aus einem rechteckigen Becken mit

den Abmessungen 14 x 8 x 6 m, in dem auf einer 1 : 3 geneigten

Böschung unterschiedliche Böschungsauskleidungen eingebaut werden können, und aus einem hydraulisch angetriebenen Tauchkörper

-5. Anlage 1. Durch Absenken und Anheben des Tauchkörpers können

die aus Naturmessungen/10/ erhaltenen Wasserspiegeländerungen in GröBe und zeitlichem Verlauf nachgebildet werden. In zahl-reichen Versuchsreihen wurden die sich einstellenden Wasserdrücke i~ verschiedenen Böschungstiefen gemessen, die erstmals einen Einblick in den Vorgang dieser instationären Druckverhältnisse

gaben. Die Anlage 2 zeigt einige der in diesen Versuchen

gemesse-nen typischen Druckkurven.

2.2 Druckverhältnisse

---Auf der Basis dieser gemesseneh Druckverlaufskurven, wie sie in

den Modelluntersuchungen der Jahre 1972 bis 1974 gemessen und seinerzeit jedoch nicht weiter eingehend ausgewertet ~rden,

konnte im Rahmen des vorliegenden Forschungsvorhabens sowohl der gesarnteVorgang der schnellen Druckentlastung einschlieBlich der

sich daraus ergebenden Folgerungen dargestellt und konkrete

Vor-gaben für die noch zu entwickelnden mathernatischenLösungsansätze gegeben werden.

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In einem Böschungsuntergrund, bestehend aus schwach schluffigem Feinsand, wie er in seinem Kornaufbau auch als Filterprüfboden

(BT 3) bei routinemäBigen Filterprüfungen in der BAW verwendet wird, entsteht nach den Grubenversuchen das gröBte Druckgefälle

..

-ungefähr zum Zeitpunkt t

=

10 sec nach Beginn des schnellen Was-serspiegelsunks, wobei die Druckänderungsgeschwindigkeit

d(zA)/dt

=

12 cm/s betrug - s. Anlage 3.

Die Wasserdrücke im Untergrund nehmen, beginnend an der Oberfläche,

von Po (z

=

0) bis zur Tiefe z auf den Druck p(z) zu. Der Verlauf dieser auf den Ausgangszustand bezogenen Druckänderung p(z) läBt sich für den hier vorliegenden Einzelfall mathematisch ausreichend gut durch eine Sättigungsfunktion beschreiben, mit der das auf die Oberfläche (z

=

0) bezogene mittlere mit der Tiefe z veränderliche Druckgefälle I(z) und der sich daraus ergebende mittlere Strömungs-druck

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(z) hals Kurvenschar bestimmt werden können - s.

An-P vor. lage 4.

2.3 Standsicherheit

Aus den ausgewerteten -Druckänderungen ergaben sich im ers ten Schritt der Untersuchungen Folgerungen für die Standsicherheit von Kanalauskleidungen. Aus Gleichgewichtsbetrachtungen an auf Böschungen liegenden Auskleidungen lieBen sich für die Zustände

nAbhebenn und nAbgleiten" Gleichungen für den zulässigen mitt-leren Strömungsdruck i (z) I ableiten. Werden die Gleichungen

p zu.

des zulässigen Strömungsdrucks mit denen des auftretenden Strö-mungsdrucks bzw. mit den sich daraus in Abhängigkeit von zA

er-""'.

geb enden Kurven gleichgesetzt, 50 ergibt sich daraus der für Aus-kleidungen noch zulässige Absunk zA - s. Anlage 5. Die Standsi-cherheit ist dabei dort gegeben, wo der zulässige Strömungsdruck gröBer oder gleich dem tatsächlich auftreteden Strömungsdruck ist. Auf der Grundlage solcher Auswertungen lassen sich Bemessungsd ia-gramme entwickeln, aus denen z.B. das erforderliche Flächengewicht

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von Kanalauskleidungen in Abhängigkeit von der Absunktiefe zA bestimmt werden kann. Ein Beispiel für eine solche Anwendung

zeigt die Anlage 6. Die dort dargestellten Ergebnisse haben je-doch noch keinen allgemeingültigen Charakter, da in Abhängigkeit von der Art des jeweils vorhandenen Untergrundes, der Art des , Filteraufbaues und Art der Belastung diese erforderlichen Flächen-gewichte differenziert werden müssen.

3. Pilot-Modellversuche

In Pilot-Modellversuchen wurde in der SAW die Frage untersucht, unter welchen Randbedingungen die schnelle äuBere Druckänderung und die dadurch in porösen Medien entstehenden porenwasserdrücke simuliert und gemessen werden können.

Auf der Grundlage einer Reihe von Voruntersuchungen, auf die hier nicht weiter eingegangen wird, ~urde eine Versuchsanlage entworfen und gebaut, die im wesentlichen aus einer 1 m langen und 0,46 m dicken Plexiglasröhre und zwei Tanks mit Luftdruck-steuerung besteht - s. Anlage·7. An den beiden Kopfenden der Ver-suchsröhre sind Schlauchleitungen mit den Wassertanks verbunden, so daB mittels Steuerventilen der in den Tanks anstehende Druck unmittelbar auf die Röhre übertragen und reguliert werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, auf die Kopfenden der Röhre ver-schiedene Drücke aufzubringen und damit im Versuchsmedium unter-schiedliche Druckgefälle zu erzeugen. Innerhalb der Röhre bef in-den sich MeBstellen, die mit elktrischen Druckaufnehmern in Ver-bindung stehen. Mit ihnen können die an den Kopfenden und die im Inneren des Versuchsmediums jeweils herrschenden Drücke gemessen und registriert werden - s. Anlage 8.

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Bei den bisherigen Pilot-Versuchen wurden der in den Tanks auf-zubringende Wasserdruck durch Luftdruck geregelt und die Steuer-ventile zwischen den Tanks und der Versuchsröhre mit der Hand bedient,~so daB Drûckschwankungen während des Versuchsablaufs nicht zu umqehen waren. Die-Anlage-:ist jedoch so aufg~bau t, daB

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in einer Erweiterung eine automatische Regelung der Drücke mög-lich ist.

3.2 Versuche

1980 wurden mit der Versuchsanlage insgesamt 11 Versuchsreihen gefahren, bei denen die Plexiglasröhre mit jeweils unterschied-lichen porösen Stoffen wie Sand, Kies und geotextilen Filtern in unterschiedlicher Schichtenfolge und Schichtdick~ gefüllt war. Einen Uberblick liberdie Versuchsreihen gibt die Anlage 9.

Bei allen Versuchen wurde die äuBere Druckänderung des bei Schiffs-vorbeifahrt in Kanälen entstehenden Wasserspiegelsunks in GröBe und zeitlichem Verlauf weitgehend angepaBt, indernDruckänderungen

--

-von ca. 1 rnWS und Druckänderungsgeschwindigkeiten -von ca. 10 crn/s als äuBere Belastungen vorgegeben werden konnten - s. Anlage 10.

Bei den Versuchen wurden als Folge des aufgebrachten äuBeren Druckgefälles die in den porösen Stoffen jeweils auftretenden Drücke sirnultangernessenund mit den äuBeren Drücken analog re-gistriert - s. Analge 11. Aus den Versuchsschrieben lieBen sich bei der Auswertung der irnInneren der Prüfmedien herrschende Druck p(z), das hydraulische Druckgefälle i(z)

=

dp(z)/dz und-daraus der Strörnungsdruck i (Z)

=

i(Z)~ sowohl als lokale Werte als auch

p w

auf die Oberfläche bezogene Mittelwerte berechnen - s. Anlage 12. Mit dieser Darstellung der tatsächlicher Verteilung des

hydrauli-schen Gefälles i(z) und des hieraus resultierenden Strörnungsdruckes ip(z) über die Tiefe z des Untergrundes ergeben sich zugleich wich-tige Ansätze für die Bernessungvon Filterschichten im Hinblick auf ihre mechanische und hydraulische Filterwirksamkeit unter instatio-närer Belastung.

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Die Ergebnisse der Pilotversuche mit·unterschiedlichem Aufbau der Bodenkörper, in denen als poröse ~edien die Druckänderung

-ermittelt wurde, sind in den Anlagen 13 bis25 enthalten. Die ~ ;

Druckkurven stellen jeweils den Verlauf der von auBen aufgebrach-ten Druckminderung ~ Po im Inneren der Bodenkörper als Absolutwer-te Jp(z) und als Relativwerte .Äp(Z)/A'9o dar. Sie weisenLm we serrt> lichen 3 Tendenzen:

1. Die Versuchsanlage ermöglichte trotz Handsteuerung der äuBeren Drücke eine gute Simulation der bei

.Schiffsvorbeifahrt in und unter einer durchlässi-gen Auskleidung entstehenden Druckverhältnisse.

2. Der Druckabbau nimmt mit der Tiefe z ab und ist in Ubereinstimmung mit den Grubenversuchen (5. Zif-fer 2) bei Böden im Bereich'von Sandfraktionen be-reits bei 1 m Tiefe kaum noch feststellbar.

3. Der Druckaubbau wird unter gleichen äuBeren Rand-bedingungen wesentlich von der Wasserdurchlässig-keit beeinfluBt.

Weitere zu vermutende Abhängigkeiten zwischen Druckabbau 6P(z), Änderungsgeschwindigkeit d (~o)/dt und k-Wert des Bodenkörpers konnten quantitativ noch nicht ermittelt werden. Hierzu sind

wei-tere Versuchsreihen erforderlich.

4. Mathematische Lösung

Nach einer Reihe von Vorgespräèhen wurde das Institut für Hydrau-lik und Hydrologie der TH Darmstadt mit der Erarbeitung eines mathematischen Lösungsansatzes des instationären Verlaufs des Wasserdrucks in porösen Medien beauftragt.

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In der ersten Phase sollte versucht werden, ein mathematisches Modell für-den instationären Druckverlauf aufzustellen. Als

Be-lastung des Systems wurde die in Ziffer 2 angegebene idealisier-te Absenkkurve angenommen. Die Gültigkeit des gefundenen Ansatzes sollte an MeBergebnissen aus den Pilot-Modellversuchen (s. Zif-fer 3) überprüft werden.

AnschlieBend sollten die Einflüsse von Bodenkennwerten (Porösi-tät und Durchlässigkeit) auf den Druckverlauf untersucht werden. In dièser zweiten Phase sollten ferner die Modellgesetzmä6igkei-ten und Grenzen zukünftiger Modelluntersuchungen angegeben wer-den.

Die Ergebnisse der Untersuchungen sind in dem 2. Zwischenbericht vom November 1982 enthalten, der in der Anlage 26 wiedergegeben ist. Dieser Bericht stellt einen vorläufigen AbschluBbericht dar, da im Rahmen des vorliegenden Forschungsauftrages zunächst keine Fortsetzung der Untersuchungen möglich ist.

Grundlage der mathematischen Lösung bildet die Erkenntnis, daB im Grundwasserleiter während und nach der schnellen äuBeren Druck-minderung keine hydrostatische .oruckverteilung herrscht, sondern der zeitliche und tiefenabhängige Druckverlauf durch R eibungs-und Trägheitskräfte beeLnfLuût;wird. Hierbei kommt der·. systemab-hängigen Schallgeschwindigkeit und damit der Anwesenheit von Luft bzw. Gas in den Bodenporen besondere Bedeutung zu.

Ausgehend von den auf den EinfluB der Elastizität erweiterten Grundgleichungen für Kontinuität und Bewegung wurde eine Diffe-rentialgleichung 2. Ordnung aufgestellt, die unter Berücksichti-gung der hier maBgebenden RandbedinBerücksichti-gungen eine zunächst auf das

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eindimensionale Modell beschränkte mathematische Beschreibung der zeitlich-räumlichen Druckverteilung im Grundwasserleiter infolge einer bei z = x = 0 aufgebrac~ten Druckänderung Äp

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o ermöglichte - s. Anlage 26, S. 9:

Die numerische Auswertung der mathematischen Lösung ergab eine gute Ubereinstimmung mit den zuvor in Ziffer 2 und 3 behandel-ten tatsächlich gemessenen Druckkurven und damit bereits eine weitgehend zufriedenstellende Lösung.

Weitere Lösungen für den Druckverlauf irnHalbraurn sind rnit Hilfe von Zylinderkoordinaten bisher nur in Ansätzen, aber noch nicht in abgeschlossenen Lösungen entwickelt worden.

Die ursprünglich vorgesehene mathematische Bearbeitung muBte wegen des Todes von Prof. Lacher gekürzt werden, so daB der

EinfIuB unterschiedlichen porenvolumens und Sättigungsgrades bis-her noch nicht untersucht werden konnte. Hierfür sind weitere Un-tersuchungen erforderlich.

5. Zusarnrnenfassung

IrnRahrnender Untersuchung der Langzeitbeständigkeit geotexti-Ier Filter wurde in einernTeilprograrnrnuntersucht, wie sich die bei Schiffsvorbeifahrt entstehende schnelle Wasserspiegelabsen-kung in und unter durchIässigen Auskleidungen auf die dort herr-schenden Wasserdrücke auswirkt. Diese Frage ist für die Beurtei-Iung der Langzeitbeständigkeit von Filterschichten über die

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nen Materialeigenschaften hinaus wichtig, da die Filterfunktion und die Standsicherheit von Kanalauskleidungen von den sich zeit-lich und räumlich ständig verändernden Druckverhältnissen auch

langfrisig stark beeinfluBt werden.

.. ~.; .:.,~ Unter Verwendung der Erqebnisse früherer im MaBstab 1 1 durch

ge-führten Modellversuche (BAN-Grubenversuche) lieGen sich zunächst

,fUr einen Einzelfall die in einem schluffigen Feinsand entste-· henden Druckänderungen einschlieBlich der Folgerungen für die Standsicherheit der Kanalauskleidung und der darnitzusamrnenhä n-genden Verteilung des hydraulischen Gefälles i liberdie Tiefe z ableiten und erläutern.

In weiteren Schritten wurde eine Versuchsanlage entworfen, gebaut und erprobt, mit der der oruckverlauf in porösen Medien weitge-hend naturgetreu simuliert und meBtechnisch verfolgt werden kann. SchlieBlich wurde eine mathematische Lösung entwickelt mit der unter noch vereinfachten Annahmen und Randbedingungen der insta-tionäre Druckverlauf beschrieben werden kann. MaBgebende Einflü s-se des porenvolumens und des Sättigungsgrades des Bodenkörpers, in dem sich die Druckänderung vollzieht, konnten noch nicht qu an-titativ geklärt werden.

Die vorliegenden Ergebnisse der Modellversuche und mathematischen Lösungen stellen bereits im jetzigen Urnfangwichtige Grundlagen

für die gezielte Bemessung von Filter- und Deckschichten an durch -lässigen Kanalauskleidungen dar.

Karlsruhe, den 3.0ktober 1983

Bundesanstalt für Wasserbau Im Auftrag Bearbeiter

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(Dr.-Ing. KnieB) Baudirektor (Dipl.-Ing. Köhler) wiss. Angestellter

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6. /1/

/2/

/3/ /4/ /5/ Schrifttum BERTRru~D, G., FEYT~S, G., ZECH, S. FRANKE, E. KNIESS, H.-G. KÖHLER, H.~. KNIESS, H.-G.

Experimental and theoretical study of a sandy bank without revetment, Permanent Internatio-nal Association of Navigation Congresses (PIk~C),

Bulletin N. -36, 54, Vol. II/1980 S. 13 - 18

Studie zur Frage des Einflusses von Meereswellen auf die GröBe des Sollwasserdruckes unter off-shore Bauwerken,

Mitteilungsblatt der Bundesan-stalt für Wasserbau, (1980) Nr. 46, S. 43 - 58

Belastungen der Böschungen des Nord-Ostsee-Kanals durch Schiffs-verkehr,

Mitteilungsblatt der Bundesan-stalt für ~asserbau,

Heft 43/1978

Verklammerung von Schüttstein-deckwerken, Anwendung von Korn-filtern und allgemeine Betrach-tungen zur Standsicherheit von

"Deckwerken,

Vortrag auf der Vortragsveran-staltung der WSD Süd am 01.07.80 unveröffentlicht

-Uferdeckwerke an WasserstraBen Baustoffe, Bauweisen und

Bauver-fahren,

11. Wasserbauseminar RTH Aachen 1981, Mitteilungen Heft 36/1981

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/6/ J " /7/ /8/ /9/ /10/ /11/ LIST, H.J., SCHRÖDER, H.TH.

Ausführungsformen von Ufersch utz-deckwerken an Binnenschiffahrts-kanälen und ihre Langzeitbestän-digkeit, Modellversuche M. 1 : 1

1972 - 1974, Teile I - IV, Bundes-anstalt für Wasserbau,

unveröffentlicht

-LIST, H.J., SCHRÖDER, H.TH.

Ausführungsformen von Uferschutz-deckwerken an_ Binnenschiffahrts-kanälen und ihre Langzeitbestän-digkeit,

Zusammenfassung Dezember 1974 unveröffentlicht

-MADSEN, O.S. Waveinduced pore pressures and

effective stresses in a porous bed, Geotechniqua 28 (1979), Nr. 4,

S 377 - 393

MONKMEYER, P.L. Waveinduced seepage effects on

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Mitteilung des Franzius-Institutes ftirWasserbau und Küsteninqenieur-wesen der TU Hannover,

Heft 51 (1980),

S. 111 - 131 SCHRÖDER, H.TH.

HOFMANN, W.

Beanspruchung der Böschung eines Schiffahrtskanals,

Mitteilungen der 9undesanstalt ftirWasserbau, Heft 27/1968,

S. 46 - 55

SP&~, H.J.TH. et al. A review of relevant hydraulic phenomena and of recent develop-mentes in research, desighn and

construction of protective works,

xxv.

International Navigation Con-gress, Edinburgh, 1981, S. I - 1, S. 113 - 138

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Anlagen 1 2 3a,3b 4 5a,5b 6 7 8 9 10 11 12 13-25 26 r

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Versuchsgrube der BAW

Druckkurven aus den Grubenversuchen

repräsentative Druckkurve für Bodentyp 3 rnittleres Druckgefälle i und mittlerer Strörnungsdruck ip

zulässiger und vorhandener Strörnungsdruck

erforderliches Flächengewicht von Auskleidungen Anordnung der Versuchseinrichtung

Foto der Versuchseinrichtung

Uberblick über Versuchsreihen 1 - 10

äuBere Druckentlastung

Beispiel eines Druckverlaufs Beispiel einer Auswertung

Auswertung der Versuchsreihen 1 - 10

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Instationäre Wasserdrücke in por. Medien

Versuchsgrube der BAW

Auftr. 91 8010

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Anlage • 1

BAW

Versuchsgrube mit hydraulisch angetriebenem

Tauchkörper zur Sirr.ulationder bei

Schiffs-.vorbeifahrt in Binnenschiffahrtskanälen an

Uferböschungen entstehenden schnellen

Wasser-spiegeländerungen ':::::,;-Länge Breite Tiefe 14 Ir. 8 m 6 m 14 m .Tauchkörper

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Beispiel einer Druckmessung Anlage 2

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Beispiel einer Druckrr.essungaus den Grubenversuchen

von 1973 (Bericht IV/1973,Anlage 10)

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',_.._.--."--~~-auf -Mischkornfilter -Ór-Óe Fahrt 20/60 Absunk 60 cm 500 100 Druckänderungen im MeB -profil 13 - 43 200 10 1.3 33 23 1] Druckgeber im Boden 400 300 500 100 Wasseroberfl. 100 o -'00 --200

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Instationäre Wasserdrücke in por. Medien Auftr 91 8010

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Oot.

03.10 .83

BAW

Rechenansatz für den Druckverlauf _Anlage 3a 1. Qualitativer Druckverlauf bei schneller äuBerer

Druckänderung Áp

o

Llp(z)/ Llp o

2. Druckverlauf aus dem Beispiel der Anlage 2 für t=10 5 Ausgangswerte ST3, k

=

6 . 10-5 mis ZA VZ1 t1 L1p(z)! L1po = 100 cm 12 cm/s = 10 s 20 40

1

60 Tiefe .:: gemessen

•

gereçhr:et (cm) 80

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100 +-__ I

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BAW

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Instationäre Wasserdrücke in por. Medien Auftr·918010

t---~Oat 03.10.83

Anlage 3b

math. Ansatz für den Druckverlauf

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1

-Mathernatischer Ansatz für die Beschreibung des Druck

-verlaufs ~p(z)/ jpo für das Beispiel der Anlage 3a :

Anastz Ansatz

=

e-8·Z

Lösung ~p(z)/ Llpo

=

e-3(z - 0,05)

Anpassung van Lösungen mit unterschiedlichem Faktor € an die gemessene Druckverteilung

W 11 L{") L{") -.JM N .- c5

o

~p(z )

~Po

ex

p (- 3 (

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0,

0

5 ) )

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Instationäre Wasserdrücke in por. Medien

BAW

J---.lOot. Autt03.109r18010.83

Anioge 4

wittlerer Strö~ungsdruck i (z)

p

I

Mittlerer Strömungsdruck i (z) aus dem Beispiel

p

der Anlage 3b für t=10 s in Abhän~igkeit vom Absunk zA

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I

= L1po- L1p(z)= Apo (1 _ e-3(z - 0,05)) z z

I

=',,{zA (1 _ e-3(z - 0,05))

°w

-z

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Auftr 91 8010 1- ---tOat 03.10.83 Anlage Sa

Instationäre Wasserdrüeke in por. Medien

BAW

Gleiehgewiehtsbetraehtungen

Gleichgewichtsbetraehtüngen am Oeekwerk-Boden-Element

bei Änderung Wasserdrucks (Jp,,=

z

A

1

w)

1 • Kräfte ~'O ,..~

=

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Fsz z,A F

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Fz,R I Fz,A= (G~'" G~)' cos

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i (z) p

4. Stabilit3t gegen ~~s:ei:er. .... ) ~y F_y,A

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F

=

y,R (G' ... G') sin 9

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e

. y,R y,A

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.... Auttr. 91 8010

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Oot 03 .10 .83 Anloge Sb Instationäre Wasserdrücke in por. Medien

Vergleich der zulässigen Ströw.unqsdrücke

Vergleich des vorhandenen mittleren Ströw.ungsdrucks

ip(z)vorh mit dem aus den Gleichgewichtsbetrachtunqen abgeleiteten zulässigen Strörnunqsdruck ip(z)zul

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erforderliche Flächengewichte g~

Auftr: 91 8010

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03. 10.83 Anloge 6

BAW

Instationäre Wasserdrücke in por. Medien

Aus dem Vergleich von

lp (z)zul

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ip(z)vorh

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ergeben sich die für durchlässiqe Deckschichten

erforderlichen Flächengewichte g~in P~hängi~keit vom Absunk zA sowie von den Lagerungsbedingungen

s' [kN/m21 g'(kN/m2) g'[kN/m21

00 I. ₀ 0 2 10 12 14

(Sohle Abheben) (Böschung Abheben)

0.2 0, 0,2 0,4 0,1. 0,6 0,8' 1,0 zA (mI 015 0,8 1, O-4---~--~ (m)

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10 Instationäre Wasserdrücke in por.

BAW

Oot. 03.10.83 Anordnunq der BAW-Pilotversuche Anlage ₇ ...

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Kompressor 1 _{Tank 1}

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Instationäre Wasserdrücke in por. Medien

Pilotversuche in der BAW ( Versuchsröhre)

Auftr 91 8010 ~---~Oat 03.10.83

Anloge 8

r

Plexiglasröhre mit Bodenfüllung als porösernMedium,

Druckleitungen und DruckmeBgeber

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BAW

Versuchsreihen der BAW-Pilotversuche

Instationäre Wasserdrücke in por. Medien _{Auftr 91 8010} ~---~Oot 03.10.83

Anloge 9

Versuchs

-Nr.

Aufbau der Versuch s-röhre

DJ

_{ggende :}

CD

Siebgewebe

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16/32 (3î_<:» ST3

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0/16 SAW Mischung

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Vlies rOltmonns) ohne PN

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4/8 Kies

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Vlies

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Instationäre Wasserdrücke in por. Medien _{Auftr 91 8010}

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Oat

03.10.83 Beispiel aus den BAW-Pilotversuchen

Anloge ₁₀

Beispiel der bei den BAW-Pilotversuchen aufge

-brachten äuBeren Druckänderung ~Po

Versuchsreihe 1, 21.07.1980, 1. Messunq

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Jp1

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BAW

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Instationäre Wasserdrücke in por. Medien _{Auftr91 8010}

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Dat

03.10.83

Anlage 11

Beispiel einer Pilotversuch-Messung

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Beispiel einer Messunq (Versuchsreihe 4) der

BAW-Pilotversuche : Druckverlauf ~p(z t) im

Inneren des porösen Mediuws (Boden)

Versuchsreihe 4,29.07.1980, 1. Messung

Laqe der Drucksreber

o

0 0

5 6 7

c

0

0

0

1

2

3

4

jp ( cmWS ) 40 60 80 100 120 t (s) Phase des gröBten Druckgefälles

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Auflr 91 8010 1---1001, 03.1 0 .83 Anloge 12

BAW

InstatioAuswerteschenäremaWasserder dPriUlotverscke inucpor.he Medien

Beispiel einer Auswertung der BAW-Pilotversuche (Versuchsreihe 4)

1 Druckänderung L1p(z) im pörösen Medium (Bode n)

Jp(z)/ Jpo ( % 100 50 0 0 20

=

.á

p - Lip(z) 0 100 0 50 100 L1p (cm WS)

2 Aus der Druckänderung Jp(z) ermittelte Strörnu nqs-drücke i_p(z) und ip(z) ip ( 3 ip' kN/m ) 0 0 5 10 15 20

---20 z (crn)60 40 60 80 z ( cm ) 40 80 I / / I / I I I I _ _' t-- i (z)='1\ ·jp(z)/z . p 0 W I i (z)=

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Auftr, 91 8() 10 t---~Oat 03.10.83 Anlage 26

Bericht der TH Darmstadt von Nov./1982

Bericht

von Prof.Dr.-Ing. H. Lacher und Dipl.-Ing. E. Zäschke

Institut für Wasserbau der Techrtischen Hochschule Darrn-stadt von Nov./1982

Anmerkung

Im Gegensatz zu den Grubenversuchen und Pilotversuchen der BAW werden die Wasserdruckänderungen im folgenden Bericht nicht mit ~p, sondern rnitp bezeichnet.',

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SCHIFFAHRTSBEDINGTE WASSERDRUCKAUSBREITUNG IN KANA~BÖSCHUNGEN

ZWEITER ZWISCHENBERICHT

FÜR DIE BUNDESANST~LT FÜR WASSERBAU KARLSRUHE

VON PROF. DR.-ING. H. LACHER ~ UND DIPL.-ING. E. ZÄSCHKE

INSTITUT FÜR WASSERBAU _{TEe ~~~1SC HE HOC HSC HULE DARMS TADT}

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