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S. Wallner:
"Einfluss von Speichergeometrie und Speichergröße auf die Flutwelle beim Dammerosionsbruch durch Überströmen";
Supervisor, Reviewer: P. Tschernutter, A. Schleiss; Institut für Wasserbau und Ingenieurhydrologie, 2014; oral examination: 2014-07-16.

Despite all safety measures a dam break is a danger that cannot be excluded from risk assessment. One of the primary dam failure modes is progressive erosion failure due to overtopping flow. Detailed knowledge about the breach process is therefore essential to make accurate assumptions about the temporal development of the flood wave caused by the dam failure. This background is an integral part for the development of inundation plans and emergency plans. In this thesis it is attempted to investigate the influence of reservoir shape and size on the flood wave caused by progressive overtopping dam failure. For this purpose physical model tests were carried out at the hydraulic laboratory of the Institute of Hydraulic Engineering and Water Resources Management of Vienna University of Technology. The model dams were 0.31m high and made of cohesionless sand. Six different reservoir configurations were tested, two shapes and three reservoir sizes of 4m3, 2m3 and 1m3. To check the repeatability of the experiments each setup was independently conducted three times. During the experiments the general spatial breach process could be observed and investigated. In comparison to former tests concerning the progressive erosion failure of dams the reservoirs of the experiments covered in this thesis were only filled once at the beginning of each experiment. After that there was no additional inflow. This method enabled an isolated view on the influence of reservoir size and shape. The measurement system consisted of multiple sensors to measure the water level in the reservoir and in the drainage tank. This data was used to calculate the breach hydrographs. Additionally a sediment trap downstream measured the volume of the eroded material. All tests were recorded by three video cameras from different positions and by a specially developed optical measuring system to record the temporal and spatial development of the breach based on Microsoft¿s Kinect sensor, called the Diketracker system. The experiments showed a strong dependence between the investigated parameters and the observed flood hydrographs. The tests showed clearly, that larger storage volumes produce larger flood hydrographs. Reservoirs with nonlinear storage characteristics caused greater peak discharges than reservoirs with linear storage characteristics and the same storage volume. In addition to the experiments a simple mathematical model was used to simulate the results of the tests. This model was able to reproduce the results of the experiments after adaption of certain parameters but it cannot yet be used as a tool for prediction due to a lack of understanding of the relationship between model parameters and material parameters.

Das Eintreten eines Dammbruchereignisses kann trotz aller Sicherheitsmaßnahmen niemals vollkommen ausgeschlossen werden. Der durch Überströmen hervorgerufene progressive Erosionsbruch ist eine der primären Versagensursachen bei Dämmen. Das Verstehen dieses Prozesses ist daher für die Entwicklung von Gefahrenzonenplänen und Notfallplänen essenziell, um möglichst präzise Annahmen bezüglich der räumlichen und zeitlichen Entwicklung von Dammbrüchen treffen zu können. Im Rahmen dieser Arbeit wird versucht, einen Beitrag zur Beantwortung der Frage des Einflusses der Speichergröße und der Speichergeometrie auf die Entwicklung einer Flutwelle beim Dammbruch durch Überströmen zu leisten. Zu diesem Zweck wurde eine Modellfamilie von 0,31 m hohen Sanddämmen bei unterschiedlichen Speichergrößen und Speicherformen im Wasserbaulabor der Technischen Universität Wien untersucht. Die Speicherform beziehungsweise die Speichercharakteristik definiert die Wasserstand-Volumen-Beziehung des Speichers. Bei den Modellversuchen wurden zwei unterschiedliche Speichergeometrien mit linearer und nichtlinearer Volumencharakteristik, das heißt V-Täler und U-Täler, bei drei unterschiedlichen Speichervolumen von 4 m3, 2 m3 und 1 m3 untersucht. Die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse wurde durch jeweils dreimaliges Ausführen der Versuche für jede der sechs Speicherkonfigurationen getestet. Dabei konnte auch der generelle Ablauf des räumlichen Versagensprozesses an einem Homogendamm beobachtet werden. Im Gegensatz zu den meisten bisher durchgeführten Experimenten zur Untersuchung des Bruchverhaltens von Dämmen wurden bei den in dieser Arbeit behandelten Versuchen die Speicher zu Beginn jedes Experiments einmal gefüllt, danach erfolgte keine weitere Wasserzufuhr. Diese Methode erlaubt eine isolierte Betrachtung des Einflusses der Speichercharakteristik und des Speichervolumens. Die messtechnische Erfassung der wesentlichen Parameter erfolgte über eine Wasserspiegelmessung im Speicher und im unterhalb der Dammaufstandsfläche angeordneten Drainagetank. Aus diesen Daten wurden die Breschenabflüsse berechnet. Durch eine im Unterwasserbereich angeordnete Sedimentfalle konnte das erodierte Dammmaterial gemessen werden. Des Weiteren wurden alle Versuche mit drei Kameras aus unterschiedlichen Positionen aufgezeichnet. Zur räumlichen und zeitlichen Erfassung der Breschenentwicklung wurde ein eigens für die Modellversuche entwickeltes optisches Messsystem auf Basis des Microsoft Kinect Sensors, genannt Diketracker, erprobt und verbessert. Bei den Versuchen zeigte sich eine starke Abhängigkeit der resultierenden Dammbruchflutwellen von den untersuchten Parametern, der Speichergröße und der Speichergeometrie. Die Versuche zeigten, dass größere Speichervolumen zu höheren Spitzenabflüssen führen und Speicher mit nichtlinearen Volumencharakteristiken bei gleichem Speicherinhalt zu höheren Spitzenabflüssen führen als Speicher mit linearen Inhaltslinien. Mit einem einfachen Rechenmodell basierend auf der Überfallgleichung nach Poleni, der Fließformel nach Gauckler-Manning-Strickler und einem Ansatz für Sedimenttransport nach Smart und Jaeggi wurde versucht, die Ergebnisse der Modellversuche nachzuvollziehen. Das Modell war nach Anpassung einiger Parameter in der Lage die Versuchsergebnisse zu reproduzieren, zur Prognose ist es aber aufgrund unzureichenden Wissens über die Zusammenhänge von Modellparametern und Materialparametern noch nicht geeignet.

Dammbruch / Überströmen / Speicherform / Speichergröße